Mathematical Modelling of Mixture Formation in the Combustion Chamber of a Diesel Engine
Loading...
Files
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
TECHNOLOGY CENTER PC, Kharkiv
Abstract
ENG: The object of research is the process of fuel mixture formation in a vortex combustion chamber located in the piston of a diesel engine. Ineffective mixture formation leads to increased specific fuel consumption and harmful emissions into the atmosphere. The research addresses determining the conditions under which complete evaporation of droplets is achieved and the required ratio of the amount of fuel vapor and the available amount of air depending on the piston radius. A mathematical model was created to describe the behavior of fuel droplets under the influence of aerodynamic forces, heat transfer, and phase transition processes. The calculations determined the radial fuel vapor concentration and air-fuel ratio distribution. The study found that fuel droplets with sizes ranging to 90.7 µm are completely evaporated which contributes to volumetric mixture formation. The model also identified regions where the mixture reaches stoichiometric conditions necessary for autoignition, particularly at a radius of r/Rc=0.22. This is explained by the rapid evaporation of small droplets, the number of which, as a function of the diameter distribution, is the majority, and their high speeds of movement relative to air and high mass transfer coefficients in the initial spraying area. The study demonstrates that despite non-uniform fuel vapor distribution, volumetric mixture formation is achieved. The interaction between fuel droplets and the swirling air motion ensures adequate mixing, facilitating complete and efficient fuel combustion. The results can be applied to optimize diesel engine designs by improving combustion chamber geometry and fuel injection strategies. The model is particularly useful for engines with high-pressure fuel injection systems. The work results contribute to developing more efficient diesel engines that comply with stricter emission regulations.
UKR: Об’єктом дослідження є процес утворення паливної суміші у вихровій камері згоряння, розташованій у поршні дизеля. Неефективне сумішоутворення призводить до збільшення питомої витрати палива та шкідливих викидів в атмосферу. Дослідження спрямовані на визначення умов, за яких досягається повне випаровування крапель, і необхідного співвідношення кількості парів палива та доступного повітря залежно від радіуса поршня. Розроблено математичну модель для опису поведінки крапель палива під дією аеродинамічних сил, процесів теплообміну та фазових переходів. Розрахунками визначено радіальну концентрацію парів палива та розподіл повітряно-паливного відношення. Дослідження показало, що краплі палива розміром до 90,7 мкм повністю випаровуються, що сприяє утворенню об’ємної суміші. Модель також ідентифікувала області, де суміш досягає стехіометричних умов, необхідних для самозаймання, зокрема при радіусі r/Rc=0,22. Це пояснюється швидким випаровуванням дрібних крапель, кількість яких в залежності від розподілу по діаметру становить більшість, і високими швидкостями їх руху відносно повітря та високими коефіцієнтами масопередачі в початковій зоні розпилення. Дослідження демонструє, що незважаючи на нерівномірний розподіл парів палива, досягається об'ємне сумішоутворення. Взаємодія між краплями палива та закрученим рухом повітря забезпечує належне змішування, сприяючи повному та ефективному згорянню палива. Результати можна застосувати для оптимізації конструкцій дизельних двигунів шляхом покращення геометрії камери згоряння та стратегії впорскування палива. Модель особливо корисна для двигунів з системою вприскування палива під високим тиском. Результати роботи сприяють розробці більш ефективних дизельних двигунів, які відповідають суворішим нормам щодо викидів.
UKR: Об’єктом дослідження є процес утворення паливної суміші у вихровій камері згоряння, розташованій у поршні дизеля. Неефективне сумішоутворення призводить до збільшення питомої витрати палива та шкідливих викидів в атмосферу. Дослідження спрямовані на визначення умов, за яких досягається повне випаровування крапель, і необхідного співвідношення кількості парів палива та доступного повітря залежно від радіуса поршня. Розроблено математичну модель для опису поведінки крапель палива під дією аеродинамічних сил, процесів теплообміну та фазових переходів. Розрахунками визначено радіальну концентрацію парів палива та розподіл повітряно-паливного відношення. Дослідження показало, що краплі палива розміром до 90,7 мкм повністю випаровуються, що сприяє утворенню об’ємної суміші. Модель також ідентифікувала області, де суміш досягає стехіометричних умов, необхідних для самозаймання, зокрема при радіусі r/Rc=0,22. Це пояснюється швидким випаровуванням дрібних крапель, кількість яких в залежності від розподілу по діаметру становить більшість, і високими швидкостями їх руху відносно повітря та високими коефіцієнтами масопередачі в початковій зоні розпилення. Дослідження демонструє, що незважаючи на нерівномірний розподіл парів палива, досягається об'ємне сумішоутворення. Взаємодія між краплями палива та закрученим рухом повітря забезпечує належне змішування, сприяючи повному та ефективному згорянню палива. Результати можна застосувати для оптимізації конструкцій дизельних двигунів шляхом покращення геометрії камери згоряння та стратегії впорскування палива. Модель особливо корисна для двигунів з системою вприскування палива під високим тиском. Результати роботи сприяють розробці більш ефективних дизельних двигунів, які відповідають суворішим нормам щодо викидів.
Description
O. Zhevzhyk: ORCID 0000-0002-8938-9301; I. Potapchuk: ORCID 0000-0002-5985-1040; V. Horiachkin: ORCID 0000-0002-8952-952X; S. Raksha: ORCID 0000-0002-4118-1341; D. Bosyi: ORCID 0000-0003-1818-2490; A. Reznyk: ORCID 0009-0001-8825-2186
Keywords
droplet movement, evaporation, mixture formation, spray dispersion, volumetric combustion, excess air, steam unevenness, рух крапель, випаровування, утворення суміші, дисперсність розпилення, об'ємне горіння, надлишок повітря, нерівномірність, пари, КІСЕ, КІТ, КПММ
Citation
Zhevzhyk O., Potapchuk I., Horiachkin V., Raksha S., Bosyi D., Reznyk A. Mathematical Modelling of Mixture Formation in the Combustion Chamber of a Diesel Engine. Technology Audit and Production Reserves. 2025. Vol. 2, No. 1 (82). P. 63–68. DOI: https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.326746.