Modeling of injection-rate shaping in diesel engine combustion

Luckhchoura, Vivak; Peters, Norbert

doi:999910016139

Modeling of injection-rate shaping in diesel engine combustion = Modellierung der Einspritzratenformung in der dieselmotorischen Verbrennung

Luckhchoura, Vivak (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Vivak Luckhchoura

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangIX, 133 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Peters, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-07-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33389
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63201/files/3338.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Verbrennung (411410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dieselmotor (Genormte SW) ; Flamelet-Modell (Genormte SW) ; Turbulente Verbrennung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; flamelet (frei) ; diesel engine (frei) ; injection rate shaping (frei) ; CFD (frei) ; turbulent combustion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Steuerung der Gemischbildung ist entscheidend für die Verbrennung und die Reduzierung von Schadstoffen in direkteinspritzenden Dieselmotoren. Eine mögliche Maßnahme zur Steuerung ist die Variation des Einspritzratenprofils bei konstanter Einspritzdauer und Menge des Kraftstoffs. Die Auswirkungen der Zeitabhängigkeit der Einspritzrate wurden im Hochlastbereich eines Einzylinder-Dieselmotors untersucht. Der besondere Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung der Auswirkung auf die Rußbildung. Um das Potenzial des Einspritzverlaufs zu erkennen, wurden eine Rechteck- und eine Bootform benutzt. Numerische Simulationen wurden mit dem Repräsentativen Interaktiven Flamelet (RIF) Modell durchgeführt, das eine detaillierte chemische Kinetik verwendet. Die Rußemissionen wurden anhand eines eigenen Rußmodells prognostiziert, das auf einer detaillierten chemischen Reaktionskinetik basiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben einen Vergleich zwischen den rechteck- und bootförmigen Einspritzraten. Darüber hinaus wurden die drei bootförmigen Einspritzverläufe mit unterschiedlicher zeitlicher Verteilung des Kraftstoffs für eine gegebene Einspritzdauer analysiert. Um die Rußvorhersagen zu verbessern, werden zwei unterschiedliche Rußmodelle für Dieselmotoren untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung zwischen der Wärmefreisetzung und dem Einspritzverlauf im untersuchten Lastpunkt. Die besten Emissionsergebnisse werden mit der bootförmigen Einspritzrate erzielt. Die Analyse der Rußbildungs- und Oxidationsprozesse zeigt, dass die Entwicklung des Rußes im Brennraum stark von dem Einspritzverlauf abhängt. Auf der Grundlage dieser Arbeit kann festgestellt werden, dass die zeitliche Verteilung des Kraftstoffs für eine gegebene Einspritzdauer eine dynamische Steuerungsgröße in der dieselmotorischen Verbrennung sein könnte.

In direct-injection diesel engines, control of fuel-air mixing is essential for the combustion and the reduction of hazardous emissions. Fuel injection-rate shaping is one of the measures used to control fuel-air mixing in the combustion chamber, which results in a specific temporal distribution of fuel for a given injection duration. In this thesis, the transient nature of the injection-rate shapes is investigated at one specific high-load point of a single-cylinder small-bore diesel engine. Special emphasis is given to the processes related to soot formation. Two types of injection rates are analyzed: top-hat- and boot-shaped. Numerical simulations are performed using the Representative Interactive Flamelet model with a detailed chemical kinetics. Soot emissions are predicted using a detailed chemistry based soot model. The results of this work present an in-depth comparison between the top-hat- and boot-shaped injection rate, and the comparison of three boot-shaped rates featuring different temporal distribution of the fuel in the combustion chamber over the injection duration. Additionally, two approaches modeling soot formation in diesel engines are presented, aiming to improve soot predictions. The results show a strong coupling between the heat release and the injection-rate shape at this load point. The best emission results are achieved with the boot-shaped injection rate. The analysis of soot formation and oxidation processes suggests that the in-cylinder soot history strongly depends upon the injection-rate shape. Based on this work, it can be stated that the temporal distribution of fuel for a given injection duration could be a dynamic control parameter in diesel engine combustion.

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