Utsläpp från bilar har spelat stor roll de senaste decennierna. Detta har lett till ökad användning av Otto gasmotorer som använder naturgas som bränsle. Nya motordesigner behöver optimeras för att förbättra motorens effektivitet. Ett effektivt sätt att göra detta på är genom användningen av simuleringar för att minska ledtiden i motorutvecklingen. Verifiering och validering av simuleringarna spelar stor roll för att bygga förtroende för och förutsägbarhet hos simuleringsresultaten. Syftet med detta examensarbete är att föreslå förbränningsmodellparametrarna efter utvärdering av olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller för Otto förbränning, vad gäller beräkningstid och noggrannhet. In-cylindertrycksspår från simulering och mätning jämförs för att hitta den bästa kombinationen av förbrännings- och tändmodell. Inverkan av tändtid, antal motorcykler och randvillkor för simuleringsresultatet studeras också. Resultaten visar att ECFM-förbränningsmodellen förutsäger simuleringsresultaten mer exakt när man jämför med mätningarna. Effekten av tändningstiden på olika kombinationer av förbrännings- och tändningsmodell utvärderas också. Stabiliteten hos olika förbränningssimuleringsmodeller diskuteras också under körning för fler motorcykler. Jämförelse av beräkningstid görs även för olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller. Resultaten visar också att flamspårningsmetoden med Euler är mer känslig för cellstorlek och kvalitet hos simuleringsnätet, jämfört med övriga studerade modeller. Rekommendationer och förslag ges om nät- och simulerings-inställningar för att prediktera förbränningen på ett så bra sätt som möjligt. Några möjliga förbättringsområden ges som framtida arbete för att förbättra noggrannheten i simuleringsresultaten. / Emission from automobiles has been gaining importance for past few decades. This has gained a lot of impetus in search for alternate fuels among the automotive manufacturers. This led to the increase usage of Otto gas engine which uses natural gas as fuel. New engine designs have to be optimized for improving the engine efficiency. This led to usage of virtual simulations for reducing the lead time in the engine development. The verification and validation of actual phenomenon in the virtual simulations with respect to the physical measurements was quite important.  The aim of this master thesis is to suggest the combustion model parameters after evaluating various combination of combustion and ignition models in terms of computational time and accuracy. In-cylinder pressure trace from the simulation is compared with the measurement in order to find the nest suited combination of combustion and ignition models. The influence of ignition timing, number of engine cycles and boundary conditions on the simulation results are also studied. Results showed that ECFM combustion model predicts the simulation results more accurately when compare to the measurements. Impact of ignition timing on various combination of combustion and ignition model is also assessed. Stability of various combustion simulation models is also discussed while running for more engine cycles. Comparison of computational time is also made for various combination of combustion and ignition models. Results also showed that the flame tracking method using Euler is dependent on the mesh resolution and the mesh quality.  Recommendations and suggestions are given about the mesh and simulation settings for predicting the combustion simulation accurately. Some possible areas of improvement are given as future work for improving the accuracy of the simulation results.

Emission and fuel consumption are among the key parameters when designing a combustion system. Combustion CFD can assist in this task only if good enough accuracy is achieved regarding combustion and emission predictions. The aim of this master thesis is to evaluate the use of detailed reaction mechanisms (as a substitute for standard combustion model) in terms of computational time and result accuracy. Several mechanisms for n-heptane are tested. Lund University optical engine experimental case is used for this evaluation.Results showed that detailed chemistry can predict ignition accurately but differences are observed in the peak cylinder pressure. The computational time also increased significantly as size and complexity of the mechanism increased. Recommendations are given to improve predictions using detailed chemistry approach which is found to be an interesting approach especially for lift-off length predictions.

Diesel engines produce large amounts of nitrogen oxides (NOX) while running. Nitrogen oxides are highly toxic and also contribute towards the formation of tropospheric ozone. Increasingly stringent legislation regarding the amount of nitrogen oxides that are allowed to be emitted from diesel-powered vehicles has forced manufacturers of diesel-engines to develop after-treatment systems that reduce the amount of nitrogen oxides in the exhaust. One of the main components in such a system is selective catalytic reduction (SCR), where nitrogen oxides are reduced to diatomic nitrogen and water with the help of ammonia. A vital part of this process is the spraying of a urea-water-solution (UWS), which is needed in order to produce the reducing agent ammonia. UWS spraying introduces the risk of solid deposits (such as biuret, ammelide and ammeline) forming in the after-treatment system, should the flow conditions be unfavourable. Risk factors include high temperatures, but also low dynamics and high thickness of the resulting liquid film that forms as the UWS spray hits the surfaces of the after-treatment system. It is thus essential that manufacturers of SCR after-treatment systems have correct data on how much UWS that should be sprayed into the exhaust for any given flow condition. Experimental tests are thoroughly used to assess this but are very expensive and are thus limited to prototype testing during product development. When assessing a wider range of concepts and geometries early on in the product development stage, simulation tools such as computational fluid dynamics (CFD) are used instead. One of the most computationally heavy processes to simulate within a SCR after-treatment system is the UWS spray and its interaction with surfaces inside the after-treatment system, where correct prediction of the formation of solid deposits are of great importance. Most CFD models used for this purpose hold a relatively good level of accuracy and are utilized throughout the whole industry where SCR aftertreatment is applied. Despite this, these models are limited in the fact that they are only able to cover timescales in the scope of seconds to minutes while using a tolerable amount of computational power. However, the time spectrum for solid deposit formation is minutes to hours. Scania is one of Sweden’s biggest developers of SCR after-treatment, with the technology being incorporated directly into its silencers. AVL Fire is the main UWS spray simulation tool for engineers at Scania at the moment. One major drawback of using AVL Fire for UWS spray simulations is that it is deemed too time-consuming to set up new cases and too unstable during simulation, which makes it too costly in terms of expensive engineering hours. This project has investigated the potential of using STAR-CCM+ for UWS spray simulations at Scania instead. A standard method has been evaluated, as well as parameters that will prove useful in further investigations of a potential speedup method. The studied method in STAR-CCM+ is easy to setup and the simulation process is robust and stable. Various other perks come from using STAR-CCM+ as well, such as: a user-friendly interface, easy and powerful mesh-generation and great post-process capabilities. Several different parameters have been investigated for their impact on the studied method, such as mesh refinement of the spray injector area and the number of parcels injected every time-step through the spray injector (simply put the resolution of the spray). A possible speedup by freezing the momentum equations when allowed and lowering the amount of inner iterations has also been investigated. A handful of operating conditions have been studied for two different geometries. The attained simulation results display correlations with physical measurements, but further assessment for identifying the risk of solid deposit needs to be performed on the studied cases to assess the full accuracy of solid deposit prediction of the studied method. Recommendations for future work includes fully implementing and evaluating the speedup method available for spray simulations in STAR-CCM+ as well as directly comparing how the accuracy and performance of the method relates to that of the method used in AVL Fire for spray simulations. / Dieselmotorer producerar under körning stora mängder kväveoxider (NOx). Kväve-oxider är starkt giftiga föreningar som även bidrar till att öka mängden marknära ozon. Allt strängare lagstiftning gällande mängden kväveoxider som får släppas ut från fordon med dieselmotorer har lett till att tillverkare av dieselmotorer blivit tvingade att utveckla efterbehandlingssystem som renar avgasen från motorn. En av huvudkomponenterna i ett sådant system idag är selective catalytic reduction (SCR; på svenska selektiv katalytisk reduktion), där kväveoxider omvandlas till kvävgas och vatten med hjälp av ammoniak. För att producera ammoniak används en lösning av urea och vatten (t.ex. AdBlue®), som introduceras till efterbehandlingssystemet via spray. Denna process har dock en stor nackdel, då det under omvandlingsprocessen kan finnas risk för klumpbildning av ämnen som biuret, ammelid och ammelin ifall flödesförhållandena är ogynnsamma. Riskfaktorer för klumpbildning inkluderar höga temperaturer samt låg dynamik och hög tjocklek för den vätskefilm som bildas när sprayen med urea-lösning kommer i kontakt med ytor i efterbehandlingssystemet. Det är därför av stor vikt för tillverkare av efterbehandlingssystem som använder SCR att känna till hur mycket urealösning som kan sprayas in för varje givet flöde. Experimentella tester används till stor del för att utvärdera detta, men är väldigt dyra och kan endast göras för ett fåtal prototyper under en produkts utveckling. För att kunna utvärdera ett större antal koncept och geometrier tidigare i utvecklingsstadiet av en ny produkt används därför ofta datorkraft med simuleringsverktyg som CFD (Computational Fluid Dynamics). En av de mest beräkningstunga processerna att simulera i ett efterbehandlingssystem med SCR är sprayandet av urea-lösning och dess interaktion med ytor, där korrekta förutbestämmelser av huruvida det finns risk för klumpbildning eller inte är av stor betydelse. De flesta CFD modeller som används i detta syfte har förhållandevis god noggrannhet och används i stor utsträckning i den bransch där efterbehandling med SCR tillämpas. Däremot är dessa modeller begränsade i att de endast kan åstadkomma simuleringar (med en acceptabel mängd datorkraft) som sträcker sig i tidsintervallet sekunder till minuter. Bildningen av klump är dock en process som kan ta upp till flera timmar. Scania är en av Sveriges största tillämpare av SCR, då tekniken används i de efterbehandlingssystem som finns inbyggda i tillverkarens ljuddämpare. Scania använder främst AVL Fire för simulering av spray med urea. AVL Fire anses dock vara för tidskrävande vid skapelsen av nya simuleringsfall och för instabilt under simulering. Detta projekt har därför undersökt möjligheten att använda STAR-CCM+ för simulering av spray med urea hos Scania. Den metod i STAR-CCM+ som utvärderats är enkel att använda då nya simuleringsfall ska skapas, samtidigt som den är robust och stabil under simulering. Relevanta parametrar för en potentiell uppsnabbningsmetod har också undersökts. STAR-CCM+ i sin helhet är användarvänligt, där verktyget för att skapa och generera mesh är enkelt att använda såväl som kraftfullt när mer avancerade operationer krävs. Möjligheterna för postprocessing är väldigt smidiga för transienta förlopp, vilket är ett stort plus för simuleringar med urea-spray, vars injektion och resulterande processer är väldigt transienta skeenden i sig. Flera olika parametrar har undersökts, för att granska hur stor påverkan de har på prestandan och noggrannheten hos den studerade metoden. Två av dessa är tätheten av beräkningsnoder i den region där spray-munstycket är placerat samt antalet paket med urea-vatten lösning som injiceras varje tidssteg via spray-munstycket. En möjlig uppsnabbning av metoden, som går ut på att frysa ekvationerna för bevarelse av rörelsemängd (eng - momentum equations) när det är tillåtet och samtidigt minska antalet inre iterationer för varje tidssteg, har också undersökts. Ett flertal olika flödesförhållanden har också undersökts för två olika geometrier. De erhållna resultaten tyder på korrelation med data från fysiska experiment. Dock bör ytterligare hydrodynamiska utvärderingar tillämpas för att ordentligt kunna redogöra för hur väl STAR-CCM+ kan användas för att förutse risken för klump- bildning i en spray-process med urea-vatten lösning. Framtida arbete borde fokusera på att utvärdera den uppsnabbningsmetod som finns för spray-simuleringar i STAR-CCM+, samt direkt jämföra hur väl metodens noggrannhet och prestanda står sig gentemot den metod som används i AVL Fire för spray-simuleringar.