Combustion modeling for diesel engine control design

Felsch, Christian; Peters, Norbert

doi:29570

Combustion modeling for diesel engine control design = Verbrennungsmodellierung zur prädiktiven Regelung von Dieselmotoren

Felsch, Christian (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Felsch

ImpressumAachen : Shaker 2009

UmfangXI, 100 S. : graph. Darst.

ISBN978-3-8322-8545-6

ReiheBerichte aus der Energietechnik Energietechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Peters, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-08-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-29904
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51584/files/Felsch_Christian.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Verbrennung (411410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dieselmotor (Genormte SW) ; Turbulente Verbrennung (Genormte SW) ; Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Prädiktive Regelung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; HCCI combustion (frei) ; PCCI combustion (frei) ; CFD (frei) ; combustion model reduction (frei) ; stand-alone multi-zone model (frei) ; closed-loop control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist zunächst die Entwicklung eines konsistenten Mischungsmodells für die interaktive Kopplung eines CFD-Codes und eines auf mehreren nulldimensionalen Reaktoren basierenden Mehrzonenmodells. Das interaktiv gekoppelte Modell ermöglicht eine rechenzeit-effiziente Modellierung von HCCI- und PCCI-Verbrennung. Der physikalische Bereich im CFD-Code wird mittels dreier Phasenvariablen (Mischungsbruch, Verdünnung und totale Enthalpie) in mehrere Zonen unterteilt. Die Phasenvariablen reichen aus, um den thermodynamischen Zustand jeder Zone zu definieren, da diese denselben Druck aufweisen. Jede Zone im CFD-Code wird durch eine korrespondierende Zone im nulldimensionalen Code abgebildet. Das Mehrzonenmodell löst die Chemie für jede Zone, und die Wärmefreisetzung wird zum CFD-Code zurückgeführt. Die Schwierigkeit bei dieser Methodik liegt darin, den thermodynamischen Zustand jeder Zone zwischen CFD-Code und nulldimensionalem Code konsistent zu halten, nachdem die Initialisierung der Zonen im Mehrzonenmodell stattgefunden hat. Der thermodynamische Zustand jeder Zone (und daher auch die Phasenvariablen) verändert sich mit der Zeit aufgrund von Mischung und Quelltermen (z.B. Verdampfung des Brennstoffs, Wandwärmetransfer). Der Fokus dieser Arbeit liegt auf einer einheitlichen Beschreibung der Mischung zwischen den Zonen im Phasenraum des nulldimensionalen Codes, basierend auf der Lösung des CFD-Codes. Zwei Mischungsmodelle mit unterschiedlichen Stufen von Genauigkeit, Komplexität und numerischem Aufwand werden beschrieben. Das am besten ausgearbeitete Mischungsmodell (sowie eine angemessene Behandlung der Quellterme) hält den thermodynamischen Zustand der Zonen im CFD-Code und im nulldimensionalen Code identisch. Die Modelle werden auf einen Testfall der HCCI-Verbrennung in einem Benzinmotor angewandt. Von dort ausgehend wird ein Simulationsmodell für PCCI-Verbrennung erstellt, welches für die Entwicklung geschlossener Regelkreise verwendet werden kann. Für den Hochdruckteil des Motorzyklus’ wird das interaktiv gekoppelte CFD-Mehrzonenmodell systematisch zu einem eigenständigen Mehrzonenmodell reduziert. Das eigenständige Mehrzonenmodell wird um ein Mittelwertmodell ergänzt, welches die Ladungswechselverluste berücksichtigt. Das resultierende Modell ist in der Lage, PCCI-Verbrennung mit stationärer Genauigkeit zu beschreiben und ist gleichzeitig sehr effizient bezüglich der benötigten Rechenzeit. Das Modell wird weiterhin um eine identifizierte Systemdynamik erweitert, welche die stationären Stellgrößen beeinflusst. Zu diesem Zweck wird ein Wiener-Modell erstellt, welches das stationäre Modell als eine nichtlineare Systemabbildung verwendet. Auf diese Weise wird ein dynamisches nichtlineares Modell zur Abbildung der Regelstrecke Dieselmotor entworfen.

This thesis deals at first with the development of a consistent mixing model for the interactive coupling (two-way-coupling) of a CFD code and a multi-zone code based on multiple zero-dimensional reactors. The interactive coupling allows for a computationally efficient modeling of HCCI or PCCI combustion, respectively. The physical domain in the CFD code is subdivided into multiple zones based on three phase variables (fuel mixture fraction, dilution, and total enthalpy). These phase variables are sufficient for the description of the thermodynamic state of each zone, assuming that each zone is at the same pressure. Each zone in the CFD code is represented by a corresponding one in the zero-dimensional code. The zero-dimensional code solves the chemistry for each zone, and the heat release is fed back into the CFD code. The difficulty in facing this kind of methodology is to keep the thermodynamic state of each zone consistent between the CFD code and the zero-dimensional code after the initialization of the zones in the multi-zone code has taken place. The thermodynamic state of each zone (and thereby the phase variables) changes in time due to mixing and source terms (e.g., vaporization of fuel, wall heat transfer). The focus of this work lies on a consistent description of the mixing between the zones in phase space in the zero-dimensional code, based on the solution of the CFD code. Two mixing models with different degrees of accuracy, complexity, and numerical effort are described. The most elaborate mixing model (and an appropriate treatment of the source terms) keeps the thermodynamic state of the zones in the CFD code and the zero-dimensional code identical. The models are applied to a test case of HCCI combustion in a gasoline single-cylinder research engine. Following from there, a simulation model for PCCI combustion is derived that can be used in closed-loop control development. For the high-pressure part of the engine cycle, the interactively coupled CFD-multi-zone approach is systematically reduced to a stand-alone multi-zone chemistry model. This multi-zone chemistry model is extended by a mean value model accounting for the gas exchange losses. The resulting model is capable of describing PCCI combustion with stationary exactness, and is at the same time very economic with respect to computational costs. The model is further extended by identified system dynamics influencing the stationary inputs. For this purpose, a Wiener model is set up that uses the stationary model as a nonlinear system representation. In this way, a dynamic nonlinear model for the representation of the controlled plant Diesel engine is created.

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