Numerical and Experimental Study on the Combustion and Emission Characteristics of a Dimethyl Ether (DME) Fueled Compression Ignition Engine Études numériques et expérimentales sur les caractéristiques de combustion et d’émissions d’un éther diméthylique (EDM)- moteur à auto-allumage rempli de combustible

Abstract

A numerical investigation was carried out to study on the combustion and emission characteristics of dimethyl ether (DME) with wide ranges of injection timings in compression ignition engines. In order to simulate DME combustion processes, a KIVA-3V code coupled with a chemistry solver was used to solve the detailed chemical kinetics model of DME oxidation. In addition, the Kelvin-Helmholtz-Rayleigh-Taylor (KH-RT) hybrid breakup model and Renormalization Group (RNG) k-ε models were applied to analyze the spray characteristics and turbulent flow, respectively. To predict the NOx formation during DME combustion, a reduced Gas Research Institute (GRI) NO mechanism was used. From these results on the combustion and emission, the calculated results were compared with experimental ones for the same operating conditions. In the combustion characteristics, the calculated combustion pressure and heat release rates agreed well with experimental results. The levels of experimental NOx emissions was reduced as the start of the injection timing retarded, and also these trends appeared in calculated emission characteristics. Additionally, the calculated CO and HC emissions show an increasing trend as the start of the injection is retarded. Dans cette étude, nous considérons la simulation de la combustion du dimethyl ether (DME) dans un moteur à allumage par compression. Les caractéristiques de la combustion ainsi que les émissions polluantes sont analysées sur une large gamme d’avance à l’injection. Afin de simuler le processus de combustion du EDM, le code KIVA-3V couplé à un solveur chimique a été utilisé pour résoudre la cinétique détaillée de l’oxydation du EDM. Le modèle de rupture de Kelvin-Helmholtz-Rayleigh- Taylor (KH-RT) ainsi que le modèle de turbulence k-ε RNG ont été appliqués pour analyser respectivement les caractéristiques du jet et l’écoulement turbulent. Pour prévoir la formation de NOx pendant la combustion du EDM, le mécanisme réduit du GRI a été employé. Les résultats de simulation pour la combustion et les émissions polluantes ont été comparés aux résultats expérimentaux dans les mêmes conditions de fonctionnement. Concernant les calages de combustion, la pression moyenne simulée et les taux de chaleur dégagée sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les niveaux d’émissions de NOx expérimentaux ont été réduits à mesure que l’injection est retardée; cette tendance est correctement reproduite par la simulation. Enfin, les prédictions sur les émissions en monoxyde de carbone et en hydrocarbure montrent une tendance croissante à mesure que l’injection est retardée.