Energy balance analysis of a DI diesel engine with multiple pilot injections strategy and optimization of brake thermal efficiency


Güler M., Özkan M.

APPLIED THERMAL ENGINEERING, vol.1, no.1, pp.1-20, 2022 (Peer-Reviewed Journal)

  • Publication Type: Article / Article
  • Volume: 1 Issue: 1
  • Publication Date: 2022
  • Doi Number: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117972
  • Journal Name: APPLIED THERMAL ENGINEERING
  • Journal Indexes: Science Citation Index Expanded, Scopus, PASCAL, Aerospace Database, Business Source Elite, Business Source Premier, Communication Abstracts, Compendex, INSPEC, Metadex, DIALNET, Civil Engineering Abstracts
  • Page Numbers: pp.1-20

Abstract

In this study, multiple pilot injections (MPI) strategy having two pilot injections was applied to direct injection (DI) diesel engine running at partial load which is usually within legal emission cycle. Optimization of timing and quantity of the pilot injections is a key factor in achieving performance and emission targets. Due to the advantages of pilot injections in terms of smooth and gradual release of energy from the fuel, the energy distribution in the engine has been put under scope and investigated thoroughly. The effects of varying the timing and quantity of both pilot injections within a reasonable range on brake thermal efficiency, total exhaust energy, in-cylinder heat transfer and friction were investigated and results were presented using a well calibrated and validated thermodynamic model. Relative sensitivity analysis and Spearman correlation coefficients analysis were performed to show the effects of each MPI parameter on the total fuel energy components. The variation of 2nd pilot injection quantity determined the most influential parameter on brake thermal efficiency with a relative sensitivity value of 0.4612, on in-cylinder heat transfer with a relative sensitivity value of 0.4708, on total exhaust energy with a relative sensitivity value of 0.4757 and on friction power with a relative sensitivity value of 0.4677 respectively. Similar to the variation in the 2nd pilot injection quantity, the variation in the 1st pilot injection quantity affected these responses in the same way but with less effect. Timing variations in both pilot injections were found out to be the third and the fourth parameters affecting responses. Especially the variation in 2nd pilot injection timing has the least effect on components of total fuel energy. Retarding both pilot injections increased the brake thermal efficiency and the variation of both pilot injection timing has similar effect on brake thermal efficiency. Retarding the 1st pilot injection timing augmented the total exhaust energy while reducing the in-cylinder heat transfer to coolant and friction power. Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-III (NSGA-III) optimization tool was used for finding the optimal timing and quantity of both pilot injections to maximize brake thermal efficiency. A growth of 0.29% at a rate of %1 in the brake thermal efficiency was achieved. Additionally, an increase of 0.74% at a rate of 2.4% in the total exhaust energy has the potential to be used and recovered in the turbine.

Bu çalışmada, genellikle yasal emisyon döngüsü içinde olan kısmi yükte çalışan direkt enjeksiyonlu (DI) dizel motora iki pilot enjeksiyonlu çoklu pilot enjeksiyon (MPI) stratejisi uygulanmıştır. Pilot enjeksiyonların zamanlamasının ve miktarının optimizasyonu, performans ve emisyon hedeflerine ulaşılmasında kilit bir faktördür. Pilot enjeksiyonların yakıttan enerjinin düzgün ve kademeli olarak salınması açısından avantajları nedeniyle, motordaki enerji dağılımı kapsam altına alınmış ve etraflıca araştırılmıştır. Her iki pilot enjeksiyonun zamanlamasının ve miktarının makul bir aralıkta değiştirilmesinin fren termal verimliliği, toplam egzoz enerjisi, silindir içi ısı transferi ve sürtünme üzerindeki etkileri araştırıldı ve sonuçlar iyi kalibre edilmiş ve doğrulanmış bir termodinamik model kullanılarak sunuldu. Her bir MPI parametresinin toplam yakıt enerjisi bileşenleri üzerindeki etkilerini göstermek için bağıl duyarlılık analizi ve Spearman korelasyon katsayıları analizi yapıldı. 2. pilot enjeksiyon miktarının değişimi, 0,4612 bağıl duyarlılık değeri ile fren ısıl verimi, 0,4708 bağıl duyarlılık değeri ile silindir içi ısı transferi, 0,4757 bağıl duyarlılık değeri ile toplam egzoz enerjisi ve toplam egzoz enerjisi üzerinde en etkili parametreyi belirlemiştir. sırasıyla 0,4677 nispi hassasiyet değerine sahip sürtünme gücü üzerinde. 2. pilot enjeksiyon miktarındaki varyasyona benzer şekilde, 1. pilot enjeksiyon miktarındaki varyasyon da bu tepkileri aynı şekilde ancak daha az etkiyle etkilemiştir. Her iki pilot enjeksiyondaki zamanlama varyasyonları, yanıtları etkileyen üçüncü ve dördüncü parametre olarak bulundu. Özellikle 2. pilot enjeksiyon zamanlamasının değişmesi toplam yakıt enerjisinin bileşenleri üzerinde en az etkiye sahiptir. Her iki pilot enjeksiyonun geciktirilmesi, fren termal verimliliğini arttırdı ve her iki pilot enjeksiyon zamanlamasının varyasyonu, fren termal verimliliği üzerinde benzer etkiye sahiptir. 1. pilot enjeksiyon zamanlamasını geciktirmek, toplam egzoz enerjisini artırırken, silindir içi ısı transferini soğutucuya ve sürtünme gücüne düşürür. Baskın Olmayan Sıralama Genetik Algoritması-III (NSGA-III) optimizasyon aracı, fren termal verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için her iki pilot enjeksiyonun optimal zamanlamasını ve miktarını bulmak için kullanıldı. Fren ısıl veriminde %1 oranında %0,29 büyüme sağlandı. Ayrıca toplam egzoz enerjisinde %2,4 oranında %0,74'lük bir artış, türbinde kullanılma ve geri kazanılma potansiyeline sahiptir.