Modeling of combustion in spray-guided spark-ignition engines

Dahms, Rainer Norbert Uwe; Peters, Norbert

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-32190

Modeling of combustion in spray-guided spark-ignition engines = Modellierung der Verbrennung in Strahlgeführten Direkteinspritzenden Ottomotoren

Dahms, Rainer Norbert Uwe (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rainer Norbert Uwe Dahms

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangII, 154 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zusammenfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Peters, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-03-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32190
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/51697/files/3219.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Verbrennung (411410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Turbulente Verbrennung (Genormte SW) ; Verbrennung (Genormte SW) ; Flamelet-Modell (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; ignition (frei) ; flamelet (frei) ; stratified (frei) ; engine (frei) ; imaging (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung von detailierten physikalischen Modellen zur Beschreibung des drei-dimensionalen Verbrennungsprozesses in modernen strahlgeführten Ottomotoren. Besondere Beachtung gilt dabei dem Zündprozess, bei dem komplexe Interaktionen von Brennstoffeinspritzung, Zündung und der frühen Flammenentwicklung wiederzugeben sind. In strahlgeführten Ottomotoren wird der überwiegende Teil des stark geschichteten Brennstoff/Luft-Gemisches von einer sich ausbreitenden turbulenten Flammenfront umgesetzt. Zur Modellierung dieser dient das Konzept der G-Gleichung, bei der die Propagation der Flamme mittels einer kinematischen Bewegungsgleichung für dessen Oberfläche simuliert wird. Die Bewegung resultiert aus der Strömungsgeschwindigkeit einerseits und der turbulenten Brenngeschwindigkeit, die die Brennrate modelliert, andererseits. Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Zunächst werden nach der Einleitung im zweiten Kapitel die Erhaltungsgleichungen der Strömungsmechanik mit dem verwendeten Turbulenzmodell angegeben. Danach werden im dritten und vierten Kapitel die Grundlagen und Modellkonzepte für turbulente Flammenpropagation und Selbstzündung diskutiert. Im fünften Kapitel wird das entwickelte Zündmodell für strahlgeführte Ottomotoren vorgestellt. Dort werden die bereits vorgestellten Grundlagen wieder aufgenommen und erweitert, um die Selbstzündung des Gemisches entlang des Zündfunkens zu beschreiben. Dieser Zündung folgt eine erst quasi-laminare und dann schließlich turbulente Flammenausbreitung. Im sechsten Kapitel wird die numerische Implementierung des Verbrennungsmodell in den verwendeten 3D CFD code erläutert und validiert. Darauf folgt im siebten Kapitel die Validierung des Verbrennungsmodells selbst an experimentellen Daten von vorgemischter turbulenter Verbrennung in einem Zylinder konstanten Volumens und in einem Erdgas-Ottomotor. Im achten Kapitel wird das entwickelte Modell zur Simulation der Verbrennung in einem strahlgeführten Ottomotor eingesetzt und qualitativ und quantitativ mit Meßdaten und Flammenaufnahmen verglichen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der Ergebnisse und einem Ausblick ab.

Subject of this work is the advancement of detailed physical models to capture the three-dimensional combustion process in modern spray-guided spark-ignition engines. Particular emphasis is placed on the ignition process, which requires the reproduction of the complex interactions of fuel injection, ignition, and early flame front propagation. In spray-guided spark-ignition engines, the major part of the distinctively stratified fuel/air-mixture is consumed by a propagating turbulent flame front. Its modeling approach is based on the concept of the G-equation, simulating the propagation of the flame front by solving a kinematic equation for its surface. The propagation results from the flow velocity on the one hand, and from the turbulent burning velocity, which models the burning rate, on the other hand, respectively. This thesis is structured as follows: After the introduction, the conservation equations of fluid mechanics, along with the applied turbulence model, are presented in chapter two. Afterwards, the fundamentals of the physical and numerical modeling concepts of turbulent flame front propagation and auto-ignition are discussed in the third and fourth chapter, respectively. In chapter five, the developed ignition model for spray-guided spark-ignition engines is presented. There, the already introduced modeling fundamentals are extended to capture both the auto-ignition process of the mixture along the spark channel and the consequent quasi-laminar and eventually turbulent flame front propagation. In chapter six, the numerical implementation of the combustion model into the used 3D CFD code is exemplified and validated. Afterwards, the physical combustion model is validated in chapter seven, using experimental data of premixed turbulent combustion in a constant-volume vessel and in a natural gas spark-ignition engine. In chapter eight, the developed model is applied to simulate combustion in a spray-guided spark-ignition engine. The results are qualitatively and quantitatively compared to measurements. The thesis closes with a discussion of the results and an outlook.

Fulltext:
PDF