A Comprehensive Numerical Study on Effects of Natural Gas Composition on the Operation of an HCCI Engine Une étude numérique complète sur les effets de la composition du gaz naturel carburant sur le réglage d’un moteur HCCI

Abstract

Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine is a promising idea to reduce fuel consumption and engine emissions. Natural Gas (NG), usually referred as clean fuel, is an appropriate choice for HCCI engines due to its suitable capability of making homogenous mixture with air. However, varying composition of Natural Gas strongly affects the auto-ignition characteristics of in-cylinder mixture and the performance of the HCCI engine. This paper has focused on the influence of Natural Gas composition on engine operation in HCCI mode. Six different compositions of Natural Gas (including pure methane) have been considered to study the engine performance via a thermo-kinetic zero-dimensional model. The simulation code covers the detailed chemical kinetics of Natural Gas combustion, which includes Zeldovich extended mechanism to evaluate NOx emission. Validations have been made using experimental data from other works to ensure the accuracy needed for comparison study. The equivalence ratio and the compression ratio are held constant but the engine speed and mixture initial temperature are changed for comparison study. Results show that the peak value of pressure/temperature of in-cylinder mixture is dependent of fuel Wobbe number. Furthermore, engine gross indicated power is linearly related to fuel Wobbe number. Gross indicated work, gross mean effective pressure, and NOx are the other parameters utilized to compare the performance of engine using different fuel compositions. Le moteur HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, ou à allumage par compression d’une charge homogène) est une idée prometteuse pour réduire la consommation de carburant et les émissions polluantes. Le gaz naturel, considéré généralement comme un carburant propre, est un choix approprié pour les moteurs HCCI en raison de sa capacité à former avec l’air un mélange homogène. Cependant, la composition du gaz naturel influe fortement sur les caractéristiques d’auto-inflammation du mélange dans le cylindre et la performance du moteur HCCI. Cet article met l’accent sur l’influence de la composition du gaz naturel sur le fonctionnement du moteur en mode HCCI. Six différentes compositions de gaz naturel (y compris le méthane pur) ont été examinées pour étudier les performances du moteur au moyen d’un modèle thermo-cinétique zéro-dimensionnel. Le code de simulation inclut la cinétique chimique détaillée de la combustion du gaz naturel, y compris le mécanisme étendu de Zeldovich pour évaluer les émissions de NOx. Les résultats ont été validés par comparaison avec des données expérimentales provenant d’autres travaux. La richesse et le taux de compression ont été maintenus constants, mais les effets de la vitesse du moteur et de la température initiale du mélange ont été étudiés. Les résultats montrent que la valeur maximale de la pression dans le cylindre et la température dépendent du nombre Wobbe du carburant. En outre, la puissance indiquée du moteur est linéairement liée au nombre Wobbe du carburant. Le travail indiqué brut, la pression moyenne indiquée brute et les NOx ont aussi été utilisés pour comparer les performances du moteur utilisant des carburants de compositions différentes.