Modeling of EGR Mixing in an Engine Intake Manifold Using LES

Modélisation du mélange de EGR dans la tubulure d’admission à l’aide de la technique de LES

¹ CCGEx, KTH Mechanics, Royal Institute of Technology, 10044 Stockholm - Sweden
² Linné FLOW Centre, KTH Mechanics, Royal Institute of Technology, 10044 Stockholm - Sweden
³ CCGEx, KTH Machine Design, Royal Institute of Technology, 10044 Stockholm - Sweden
e-mail: sakowitz@mech.kth.se - reifarth@kth.se - mihai@mech.kth.se - If@mech.kth.se

^⋆ Corresponding author

Abstract

We investigate the mixing process of exhaust gases with fresh air in Internal Combustion Engines (ICE). For this purpose, the flow in an inlet manifold of a six-cylinder heavy-duty Diesel engine is computed using compressible Large Eddy Simulations (LES). The Exhaust Gas Recirculation (EGR) concentration is modeled as a passive scalar. The results are validated by on-engine measurements of the EGR concentration using COZ probes. The boundary conditions for the highly pulsating flow are taken partly from one-dimensional simulations, partly from pressure measurements on the engine. In order to assess the sensitivity to the boundary conditions, changes are applied to the base-line case. The mixing quality is evaluated in terms of cylinder-to-cylinder distribution and the spatial RMS over the outlet cross- sections. Different averaging techniques are applied. It was found that the temporal and spatial EGR distribution is different among the cylinders. The EGR distribution within the cylinder inlet is non-uniform. These factors imply that one should not use a time-averaged EGR value as indicator for the EGR content. Furthermore, it was found that the flow pulsations at the EGR inlet have a large influence on the EGR distribution. By comparing the LES results with measurements, it was shown that LES gives a better and deeper insight into the mixing in such turbulent, pulsating flow situations.

Résumé

Nous étudions le processus de mélange des gaz d’échappement avec l’air dans les moteurs à combustion interne. Dans ce but, une simulation des grandes échelles (LES, Large Eddy Simulations) de l’écoulement compressible dans la tubulure d’admission d’un moteur Diesel à grosse cylindrée comptant 6 cylindres est réalisée. Le taux de recirculation des gaz d’échappement (EGR, Exhaust Gas Recirculation) est considéré comme un scalaire passif. Les résultats obtenus sont validés à l’aide des mesures du taux de EGR effectuées sur un moteur avec une sonde de mesure de CO₂. Les conditions aux limites de l’écoulement pulsatoire sont déduites de simulations unidimensionnelles et de mesures de pression effectuées sur le moteur. La qualité du mélange est évaluée à partir de la répartition d’un cylindre à l’autre et des moyennes quadratiques spatiales calculées au niveau des sections de sortie. Différentes méthodes sont utilisées pour le calcul des quantités moyennées. Les résultats montrent que les évolutions spatiales et temporelles de EGR sont différentes d’un cylindre à l’autre. La distribution de EGR dans l’orifice d’entrée du cylindre n’est pas uniforme. Ces facteurs impliquent que les moyennes temporelles ne devraient pas être utilisées pour décrire l’évolution de la teneur en EGR. De plus, les pulsations de l’écoulement, au niveau de l’orifice d’entrée de EGR, ont une forte influence sur la distribution de EGR. En comparant les résultats de simulations LES avec les résultats expérimentaux, nous montrons que les simulations LES permettent une meilleure et plus approfondie compréhension du processus de mélange lors d’études de tels écoulements turbulents et pulsatoires.