Verbetering van de efficiëntie en vermindering van emissies in zware dieselmotoren

Zware dieselmotoren drijven nog steeds de meeste grote voertuigen aan die worden gebruikt in de bouw-, mijnbouw- en transportsector in de Verenigde Staten. Ingenieurs werken eraan om de brandstofefficiëntie van deze motoren te verbeteren en tegelijkertijd de vervuiling te minimaliseren om het energieverbruik te verminderen en de duurzaamheid van deze industrieën in de toekomst te waarborgen.

Om dit probleem aan te pakken, hebben onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) de krachten gebundeld met Caterpillar Inc., een van ’s werelds grootste fabrikanten van bouw- en mijnbouwapparatuur. Door gebruik te maken van de krachtige computerbronnen van Argonne, ontwikkelden onderzoekers een potentieel zuigerontwerp voor de motoren van Caterpillar dat de brandstofefficiëntie zou kunnen verbeteren en tegelijkertijd de schadelijke uitstoot zou kunnen verminderen.

Het team creëerde eerst een raamwerk om het ontwerp van het verbrandingssysteem te optimaliseren met behulp van een 3D computationele vloeistofdynamica-tool genaamd CONVERGE, ontwikkeld door Convergent Science, Inc._X), voerden ze vervolgens honderden hifi-simulaties uit om veelbelovende ontwerpen te ontwikkelen voor zuigerkommen – de verbrandingskamers in dieselmotoren.

Met behulp van deze methode konden ze verschillende ontwerpen identificeren die het potentieel hadden om de brandstofefficiëntie te verbeteren en tegelijkertijd de uitstoot te verminderen. Caterpillar creëerde prototypes van de best presterende ontwerpen met behulp van additieve fabricagetechnieken om de modelresultaten te valideren.

“Door gebruik te maken van de supercomputers die beschikbaar zijn bij Argonne, hebben we zeer gedetailleerde simulaties uitgevoerd en de resultaten ook veel sneller verkregen, waardoor de simulatietijd van maanden tot weken werd verkort”, aldus Chao Xu, een postdoctoraal aangestelde bij Argonne die de simulatie-inspanningen leidde.

Een bijzonder veelbelovend ontwerp van de zuigerkom verbeterde het mengproces tussen brandstof en lucht. Onderzoekers ontdekten dat het brandstofverbruik met bijna 1 procent kon worden verminderd, een meetbare verbetering, terwijl het roet tot 20 procent kon worden verminderd.

“De workflow die we hebben ontwikkeld, zal iedereen ten goede komen”, zegt Sibendu Som, manager van de afdeling Computational Multi-Physics Research in de divisie Energy Systems van Argonne, die toezicht houdt op het team dat samen met Caterpillar aan het project werkt. “We publiceren onze methodologie zodat bedrijven deze kunnen gebruiken om voor zichzelf nieuwe piston bowls te ontwerpen.”

Naast de simulatie-innovaties van het project, was een van de belangrijkste bijdragen van het team de ontwikkeling van een branchevriendelijke aanpak, waarmee bedrijven hun motorontwerpen kunnen optimaliseren met behulp van hun eigen interne computersystemen. Dit vereenvoudigde model, dat is gebaseerd op de resultaten van honderden complexe simulaties, biedt een vergelijkbaar nauwkeurigheidsniveau en verlaagt de rekenbehoeften met maar liefst 40 procent.

“Het vermindert in feite de testkosten als we een voorspellend model hebben en ontwerpen optimaliseren op een supercomputer. Het vermindert ook de tijd die de industrie nodig heeft om een ​​product te ontwikkelen – een groot voordeel”, aldus Prithwish Kundu, een onderzoeker die het project leidt bij Argonne.

“Ons werk met Argonne aan dit project heeft de verkenning van een enorme ontwerpruimte mogelijk gemaakt”, zegt Jon Anders, hoofdonderzoeker en senior engineeringspecialist bij Caterpillar’s Integrated Components and Solutions-divisie. “Door samen te werken en gebruik te maken van simulatie-expertise en computerbronnen van Argonne met productie- en testexpertise bij Caterpillar, waren we in staat om een ​​zuiger te optimaliseren en te testen op een tijdlijn die veel korter was dan anders mogelijk zou zijn geweest.”