Numerical Analysis of Gas Exchange system requirements in Heavy Duty DISI process with Alternative fuels

Kommersiella fordon som använder dieselmotorer har hög bränsleeffektivitet men kräver dyra efterbehandlingssystem och ökade driftskostnader. Ottomotorer har fördelen att använda en enkel trevägskatalysator vilket gör ägande- och driftkostnader mycket attraktiva. Knack är en begränsande faktor för användning av bensin i ottomotorer vilket begränsar deras effektivitet. I turboöverladdade motorer med "direct injection spark ignition" (DISI) skulle biobränslen som alkoholer minska knackning (och därigenom förbättra effektiviteten) och bränslen innehållande syre skulle också bidra till att minska sotbildning. I denna studie undersöks de förändringar som krävs för att byta bränsle från diesel till alkoholer i DISI motorer. En numerisk analys används för att välja ingångsparametrar sådana som inlopp och avgasventil fasning, EGR, förtändningen och laddtryck krav för att uppnå bästa verkningsgrad. Inparametrarna optimeras genom en genetisk algoritm med en GT-Power modell av motor som körs på bensin, etanol och metanol. Vid toppbelastning, har det visat sig att alkoholerna ger något bättre termisk verkningsgrad än bensin (33% bensin, 34% etanol och 35% metanol vid 1000 rpm full belastning) på grund av lägre knack tendens. Laddtryck och EGR krav härleds och turbomatchning utförs genom att skala tabellerna från Diesel VGT turboladdaren. Det visade sig att etanol och metanolfallet skulle kräva en VGT turboladdare medan bensinfallet bara skulle behöva en wastegate turboladdare. Med hjälp av informationen från denna studie är det möjligt att validera denna modell på en encylindrig motor för vidare studier.Commercial vehicles using diesel engines have high fuel efficiency but have a significant cost impact due to expensive aftertreatment system and increased running costs. Spark ignition engines have the advantage of using a simple three-way catalyst making cost of ownership and operation very attractive. Knock is a limiting factor for using gasoline spark ignition engines hence has poor efficiency. In turbocharged direct injection spark ignition (DISI) operation, bio-fuels like alcohols would reduce knock (thereby improving efficiency) and the oxygenated fuel would also help in reducing soot formation. In this study, the system modifications required to make a fuel change from diesel to alcohols in DISI mode is analysed. A numerical analysis is used to select input parameters such as inlet and exhaust cam phasing, EGR rate, spark advance and boost pressure requirements for best efficiency of the engine in full load operating conditions. The input parameters are optimised by a genetic algorithm in loop with a GT Power model of the engine with gasoline, ethanol and methanol. At peak load, it is found that the alcohols give slightly better thermal efficiency than gasoline (33% Gasoline; 34% Ethanol & 35% Methanol at 1000rpm full load) due to lower knock tendency. The boost pressure and EGR rate requirements are derived and turbo matching is performed by scaling diesel VGT maps. It was found that the ethanol and methanol case would require a VGT whereas gasoline would only need a wastegate turbocharger. Using the information from this study, a testing scheme on a single cylinder engine could be derived to validate this model for further study