Validierung eines 1D-Spraymodells zur Simulation der Gemischbildung in direkteinspritzenden Dieselmotoren

Krüger, Christian; Peters, Norbert

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-1906

Validierung eines 1D-Spraymodells zur Simulation der Gemischbildung in direkteinspritzenden Dieselmotoren

Krüger, Christian (Author)

2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Krüger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

UmfangVI, 110 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Peters, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-03-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-1906
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56579/files/Krueger_Christian.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Dieselmotor (frei) ; Direkteinspritzung (frei) ; Kraftstoffvernebelung (frei) ; Gemischbildung (frei) ; Simulation (frei) ; Spray (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Für die Berechnung des Betriebsverhaltens und der Emissionen (NOx, Ruß) von Dieselmotoren spielt die Modellierung des Einspritzstrahls eine herausragende Rolle, da die Simulation nachfolgender Prozesse wie Zündung, Verbrennung und Schadstoffbildung entscheidend von der korrekten Beschreibung der Prozesse im Einspritzstrahl abhängt. Aufgrund starker Netzabhängigkeit sind konventionelle 3D-Spraysimulationen trotz detaillierter Modelle nicht in der Lage, selbst globale Größen wie das Eindringverhalten von Flüssig- und Gasphase vorauszuberechnen. Die Ursache ist hauptsächlich die nicht ausreichende numerische Auflösung des Strahls im Düsennahbereich sowie Konvergenzprobleme der Flüssigphase. In der vorliegenden Arbeit wird für die Modellierung der dieselmotorischen Gemischbildung ein durchgängiges Konzept präsentiert. Im Nahbereich des Injektors wird als Lösungsansatz für das Auflösungsproblem der Strömung das sog. ICAS-Verfahren („Interactive Cross-Section Averaged Spray”) eingesetzt. Darin werden die Tropfen in Euler'scher Formulierung behandelt, was gegenüber der Lagrange'schen Beschreibung ein besseres Konvergenzverhalten statistischer Spray-Eigenschaften sicherstellt. Die abgeleiteten Gleichungen werden über den Strahlquerschnitt integriert, so daß nur noch die Strahlachse als Ortskoordinate übrigbleibt. Die Rechtfertigung für dieses Vorgehen ist darin zu sehen, daß der Dieseleinspritzstrahl im Düsennahbereich aufgrund der extrem hohen Impulsstromdichte im wesentlichen ein 1D-Phänomen ist. Auf diese Weise ist implizit gewährleistet, daß die Strahldimensionen auch in Düsennähe exakt abgebildet werden. Dies ist die Basis für die numerisch korrekte Simulation von Prozessen wie Impulsaustausch, Tropfenzerfall und Tropfenverdampfung. Das 1D-Strahlmodell ist interaktiv mit dem CFD-Code KIVA-3V gekoppelt, indem die zwischen 1D-Flüssig- und 1D-Gasphase ausgetauschten Quellterme konservativ in das Strahlgebiet des 3D-Codes eingebettet werden. Chemische Quellterme sowie thermodynamische Randbedingungen werden vom 3D-Code an das 1D-Strahlmodell übergeben. Die Interaktion mit Queranströmung wird durch eine gekrümmte Einbettung der Quellterme berücksichtigt. Hinreichend weit stromab wird von ICAS auf das Lagrange'sche 3D-Strahlmodell umgeschaltet. Durch Gegenüberstellung mit Strahlaufnahmen wird gezeigt, daß mit ICAS auf düsenlochauflösenden, rotationssymmetrischen Netzen das Eindringverhalten der Strahlspitze von verdampfenden Sprays ohne Einstellung von „tuning”-Parametern auf 5% genau berechnet werden kann. Auch mit ICAS bleibt das Auflösungsproblem der 3D-Gasphase in Injektornähe bestehen. Erhebliche Verbesserungen werden durch den Einsatz des sog. „length scale limiters” erzielt. Dessen Prinzip besteht in der numerischen Begrenzung der berechneten turbulenten Längenskala auf den maximal möglichen physikalischen Wert - den Strahldurchmesser. Durch die Kombination ICAS + „length scale limiter” ist die Strahlstruktur auch auf relativ groben, für motorische 3D-Anwendungen geeigneten Netzen nahezu identisch zur Strahlstruktur düsenlochauflösender Netze und unabhängig vom Turbulenzzustand in der Umgebung. Die Anwendbarkeit des ICAS-Modells auf motorische 3D-Berechnungen mit bewegter Geometrie wird anhand eines homogenen Brennverfahrens demonstriert. Der Vergleich des Strahlbildes aus der 3D-Simulation mit Aufnahmen durch den Glaskolben eines optisch zugänglichen Einzylinder-Aggregats zeigt qualitativ sehr gute Übereinstimmung.

Modelling of Diesel sprays plays a crucial role for the calculation of performance and emissions (NOx and Soot) of Diesel engines since simulation of subsequent processes like ignition, heat release and pollutant formation strongly depends on the spray. In spite of existing detailed submodels 3D simulation of Diesel sprays is usually not even able to predict global quantities like penetration length of liquid and vapour. With the typically used stochastic spray model strong mesh dependency is observed. Reasons are insufficient numerical resolution of the flow near the orifice and non-converged statistical properties of the spray. In the present thesis, a universal concept for the simulation of Diesel sprays is presented. Near the nozzle orifice the ICAS technique (Interactive Cross-sectionally Averaged Spray) is used to overcome the spatial resolution problem. In order to improve statistical convergence, a two-fluid formulation is applied. Close to the nozzle exit the Diesel spray is substantially a 1D phenomenon. Therefore the governing equations are integrated over the cross-section of the spray and then solved separately in a one-dimensional code. The transport processes take place in a prescribed spray cone, in which the orifice is automatically resolved. Hence the interaction between liquid and gas is calculated in a correct way. In the 1D code several droplet classes are used. For each class, conservation equations are solved for droplet diameter, droplet temperature as well as for continuity and momentum of the liquid and the gaseous phase. The source terms between the phases are embedded conservatively into the spray region of the 3D code. In the 3D code only the gaseous phase is calculated. Chemical source terms as well as local gas temperatures and mixture compositions are interactively returned to the 1D code as boundary conditions. In the presence of swirl, the deflection of the spray region is modelled by a simple momentum balance. At a prescribed position the description of the spray is switched from the 1D model to the stochastic particle technique. Very good quantitative agreement is obtained between computed and measured penetration lengths of liquid and vapour phase for orifice-resolving meshes. Of course, the vapour phase propagation calculated by the 3D code on coarse meshes is still dependent on the discretization mesh. However, the spray structure in the 3D code converges with successive mesh refinement and becomes independent of the initial values of ambient turbulence. The mesh dependency of typical used relatively coarse engine meshes is considerably reduced by the use of a length scale limiter, whereby the calculated integral length scale is limited to the maximal physical length scale - the spray diameter. Combining ICAS + length scale limiter spray structures similar to the spray structure on orifice-resolving mesh are obtained on relatively coarse meshes suited for 3D engine calculations. Applicability of the ICAS technique for 3D engine calculations with moving boundaries is demonstrated by a homogenous Diesel combustion strategy. Good agreement between spray structure in 3D simulation and diagnostics in a single cylinder engine with optical access has been found.

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