Phenomenological Combustion Modeling for Optimization of Large 2-stroke Marine Engines under both Diesel and Dual Fuel Operating Conditions

Abstract

Phenomenological simulation methodology for combustion modeling of both liquid and gaseous fuels for large low speed 2-stroke marine engines is developed and validated within the present study. The work incorporates modeling concepts for diesel and dual fuel combustion aiming for a physics based and generic model structure. Phenomenological aspects of these concepts are theoretically investigated and considered individually in respect of specifics of large uniflow scavenged 2-stroke engines. Model implementation into a commercial 1D simulation tool GT-Suite in form of a user routine allows fast cycle simulation of full scale engine models or integrated marine power systems at good level of fidelity. Hence, the proposed method enables a computationally effective optimizations of complex propulsion systems under both steady and transient operating conditions. Quasi-dimensional model proposed for diesel combustion is capable of accurate prediction in terms of both performance and emission figures based on imposed injection profile. The model takes into account the specific design features of the combustion space in large two-stroke engines such as multiple decentralized fuel injectors or intake air swirl. One of the most important characteristics considered by the model is the methodology for capturing interactions among individual the spray and an appropriate adjustment of the locally effective air excess ratio. The available oxygen is predominant for combustion progress. If the spray is enclosed by the burned gases burn rate is restricted or recovered in case suitable conditions are restored. To meet these model objectives, spatial resolution of the combustion chamber is considered and transformed into a quasi dimensional and solely mathematical description. The final burn rate is then determined by a time scale model employing a simplified zero-dimensional turbulence model considering typical integral length scale. The availability of fuel ready to be oxidized is constrained by evaporation, mixing and spray interactions. Extensive validation is performed against experimental investigations in spray combustion chamber (SCC) and full-scale engine data. The computation is executed by means of an integrated combustion subroutine using a dynamic link library interface with the 1D engine model. Instantaneous import of in-cylinder conditions and injection rates enables immediate prediction of heat release rate. The validity of the model predictions under various operating conditions is confirmed for several Wärtsilä/WinGD low-speed marine engine types. Dual fuel phenomenological combustion model accounts for both diffusion combustion of the liquid pilot fuel and the flame front propagation throughout the gaseous premixed charge. In respect to the pilot fuel model a common integral formulation defines the ignition delay whereas a time scale approach is incorporated for the combustion progress calculation. In order to capture spatial differences given by the scavenging process and the admission of the gaseous fuel, the cylinder volume is discretized into a number of zones. The laws of conservation are applied to calculate the thermodynamic conditions and the fuel concentration distribution. Subsequently, the ignition delay of the gaseous fuel-air mixture is determined by the use of tabulated kinetics and the ensuing oxidation is described by a flame velocity correlation. Computational concepts for both laminar and turbulent flame velocities are determined based on conditions characteristic for large 2-stroke marine engine operation. Comprehensive theoretical study and computational assessment have been accomplished to derive appropriate correlations for propagation of both laminar and turbulent flames. The resulting heat release rates and pressure traces are validated against experimental engine data.

Disertační práce popisuje vývoj a validaci fenomenologické metodiky simulace spalování kapalných a plynných paliv ve velkých pomalobežných dvoutaktních lodních motorech. Práce zahrnuje koncept simulace dieselového a duálního neboli dvoupalivového hoření s cílem vypracování fyzikálně zobecněného modelu. Fenomenologické aspekty těchto konceptů jsou teoreticky vyhodnoceny z hlediska specifik pomaloběžných dvoutaktních motorů se souproudým vyplachováním. Začlenění modelu do 1D simulačního softwaru GT-Suite formou uživatelského programu umožňuje časově nenáročné výpočty oběhu pro samostatný model motoru nebo celkových integrovaných lodních pohonných systémů s požadovanou přesností. Tímto je umožněna efektivní optimalizace lodních pohonů při stacionárním a transientních podmínkách. Kvazidimenzionální model navržen pro dieselové spalování umožňuje predikaci výkonových parametrů motoru a emisí na základě průběhu vstřiku paliva. Model zohledňuje koncepci spalovacího prostoru velkého dvoutaktního motoru s několika decentralizovanými vstřikovači a vířivým vyplachováním. Zásadní součástí dieselového modelu jsou interakce jednotlivých paprsků vstřiku ovlivňující lokální přebytek vzduchu, který je určující pro průběh spalování. V případě vzájemného překrytí paprsku vstřiku a spalin je průběh hoření zpomalen. K zotavení hoření nastává, když je obnoven dostatečný přebytek vzduchu na základě rozdílu rychlostí paprsku vstřiku a spalin. Pro dosažní těchto požadavků modelu je spalovací prostor popsán kvazidimenzionálně, což umožňuje řešení průniku a interakce jednotlivých paprsků vstřiku. Celkový průběh hoření je určen pomocí časového měřítka hoření s využitím bezrozměrného modelu turbulence a jejího integrálního měřítka. Palivo dostupné pro hoření je definované průběhem vypařování, míšení a interakcemi paprsků vstřiku. Model dieselového spalování je kalibrován s využitím experimentálních dat naměřených ve spalovací komoře (SCC) a na motoru. Samotný výpočet probíhá formou integrace uživatelského programu do 1D modelu motoru, která umožňuje okamžitou výměnu potřebných parametrů pro rychlou predikaci průběhu hoření. Validita výsledků metodiky dieselového spalování je ověřena pro několik typů pomaloběžných dvoutaktních motorů Wärtsilä/WinGD. Fenomenologický model duálního spalování v sobě zahrnuje jak model difuzního hoření pilotního vstřiku, tak model pro homogenní hoření zemního plynu. Průtah vznětu pilotního paliva je určen integrální metodou, zatímco pro průběh hoření je definován jeho časovým měřítkem. Za účelem modelování prostorových rozdílů způsobených procesem vyplachování a přívodem plynného paliva je objem válce diskretizován do několika zón. Základní zákony zachování jsou využity pro výpočet přestupů hmoty mezi jednotlivými zónami a určení zónových koncentrací. Průtah vznětu plynného paliva je následně určen pomocí tabelované kinetiky. Následné hoření homogenní směsi plynu se vzduchem je popsáno rovnicí rychlosti plamene pro podmínky charakteristické pro velké dvoupalivové dvoutaktní lodní motory. Rychlost šíření plamene je popsána pro laminární a turbulentní podmínky. Analogicky vzhledem k dieselovému modelu je odvozen bezrozměrný model turbulence. Výsledné průběhy hoření jsou porovnány s experimentálními daty. Studie citlivosti výsledků modelu zahrnuje variace základních parametrů jako například přebytek vzduchu, počátek pilotního vstřiku nebo kompresní poměr. Obecnost a prediktivita model duálního spalování je ověřena pro různé dvoutaktní lodní motory vzhledem k výsledkům měření. Navržená metodika zobecňuje fenomenologické aspekty spalování ve velkých pomaloběžných dvoutaktních lodních motorů se zaměřením na dieselové a duální spalování při stacionárních a transientních provozních podmínkách. Využití navrženého simulačního přístupu pro optimalizaci bylo ověřeno pro modelování samostatného motoru i celkových pohonných systémů s integrací hydraulických modelů vstřikovače a výfukového ventilu.