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Experimental investigation of the flow in internal combustion engines = Experimentelle Untersuchung des Strömungsfeldes in Verbrennungskraftmaschinen
2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Englische und deutsche Zusammenfassung
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-10-30
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fuel Science Center (frei) ; Particle-Image Velocimetry (frei) ; Strömungsmechanik (frei) ; Strömungsmessungen (frei) ; TMFB (frei) ; Verbrennungsmotoren (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Gesetzliche Regularien zur Bekämpfung der globalen Erwärmung und entsprechender Gesundheitsschäden sowie die begrenzte Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen bewegen Motorenentwickler zunehmend dazu die Effizienz von Verbrennungsmotorenweiter zu optimieren und Emissionen zu reduzieren. Drei Themen, die eine Verbesserung der Prozesse in Verbrennungsmotoren versprechen, werden in dieser Dissertation diskutiert. Zuerst werden Mie-Scattering Imaging(MSI) Messungen durchgeführt, um das Sprühstrahlverhalten von zwei Biokraftstoffen zu untersuchen. Biokraftstoffe sind unabhängig von fossilen Energieträgern und zeigen vielversprechendes Verhalten in Verbrennungsmotoren. Die MSI-Messungen werden in einem optischen Ottomotor und einer Druckkammerdurchgeführt, um den Einfluss der Motorströmung auf das Kraftstoffsprayabzuleiten. Als Zweites wird der Einfluss von Ventilsteuerzeiten von Millerzyklen auf die Motorströmung mittels Particle-Image Velocimetry (PIV) untersucht. Während der Einfluss von Millerzyklen auf den thermischen Wirkungsgrad, die Emissionen und Klopfen ausgiebig in der Fachliteratur diskutiert wurde, sind Untersuchungen des Einflusses auf die Strömung in der Brennkammer eher selten. Daher wird der Einfluss von zwei unterschiedlichen Millerzyklen auf die Motorströmung ausführlich diskutiert und mit konventionellen Ventilsteuerzeitenverglichen. Im dritten Teil dieser Dissertation steht die fundamentale, dreidimensionale Untersuchung des Strömungsfeldes des optischen Versuchsmotors im Vordergrund, da das Verhalten des Tumblewirbels und die Turbulenz maßgeblich die Gemischbildung und die turbulente Flammengeschwindigkeit – ein Schlüsselfaktor für den Verbrennungsprozess – beeinflussen. Des Weiteren ist das Strömungsfeld in Verbrennungsmotoren zyklischen Variationen (CCV) ausgesetzt, welche deutlichen Einfluss auf instantane Motorzyklen haben können. Zur Realisierung dieser Untersuchungen, wird die high-speed tomografische PIV(HS-TPIV) am optischen Versuchsmotor implementiert. Weil HS-TPIV Messungen mit vergleichbarer zeitlicher und räumlicher Auflösung in der Literatur kaum vorhanden sind, werden zunächst eine ausführliche Fehlerabschätzung und eine Validierung durchgeführt. Die HS-TPIV wird dann verwendet, um mehrere instantane Strömungsfelder ausgewählter Motorzyklen zu untersuchen und den Einfluss des Einlassdrucks auf die zeitlich gemittelte Strömung zu analysieren. Zuletzt wird eine Geschwindigkeitszerlegung für 2D und 3D PIV-Ergebnisse eingeführt, die die instantanen Strömungsgeschwindigkeiten in eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit, eine Geschwindigkeitsschwankung aufgrund von CCV und eine turbulente Geschwindigkeitsschwankung zerlegt. Die üblicherweise verwendete Reynoldssche Mittelung führt hingegen zu nur einem Fluktuationsterm, welcher sowohl CCV als auch Turbulenz enthält. Die vorgestellten Methoden ermöglichen eine fundamentale, dreidimensionale, räumlich und zeitlich aufgelöste Untersuchung der Motorströmung und der zyklischen Variationen.Legislative restrictions due to global warming and human health issues as well as the limitation of fossil energy carriers drive engine developers to further optimize internal combustion engines with regard to efficiency and emissions. Three aspects that could lead to improvements in the performance of SI engines are discussed in the course of this thesis. First, Mie-scattering imaging (MSI)measurements are conducted to investigate the spray propagation of two biofuels, which spare fossil energy sources and are reported to yield improved engine performance. The MSI measurements are conducted in an optical DISI engine and in a constant-pressure flow vessel to isolate the impact of the in-cylinder flow on the spray behavior. Secondly, the influence of Miller intake valve timings on the engine air flow is investigated using high-speed stereoscopic PIV (HS-SPIV).While the impact of Miller cycles on thermal efficiency, emissions, and knocking limits was extensively studied, investigations of the impact on the flow are quite rare in the literature. Therefore, the impact of two different Miller timings on the engine flow is extensively discussed and compared to a standard valve timing. In the third part of this thesis, fundamental 3D investigations of the in-cylinder air flow are conducted, since the behavior of the tumble vortex and the turbulence in the combustion chamber directly affect the mixture formation and enhance the turbulent flame propagation, which is a key factor for combustion performance. Furthermore, the in-cylinder flow is subject to cycle-to-cycle variations (CCV), which can severely hinder the performance of an instantaneous engine cycle. To provide the denoted investigations, a novel highspeed tomographic PIV (HS-TPIV) setup is implemented on the optical engine, for the first time. Since HS-TPIV measurements of the acquired temporal and spatial resolutions are lacking in the literature, an extensive error estimate and a validation are conducted to assess the quality and validity of the measurement setup. The HS-TPIV setup is utilized to investigate instantaneous 3D flow fields of selected engine cycles and to analyze the impact of the intake pressure on the ensemble-averaged engine flow, which also demonstrates the capabilities of the HS-TPIV setup on the optical engine. In subsequent measurements, the HS-TPIV setup is updated to increase the spatial and temporal resolution even further. Finally, a triple-velocity decomposition method for 2D and 3D measurement data is introduced that separates the instantaneous in-cylinder flow velocity into a mean part, a velocity fluctuation from CCV, and a turbulent velocity fluctuation. This is in contrast to the commonly used Reynolds decomposition that yields only a single fluctuation velocity term, which encompasses the combined fluctuations from CCV and turbulence. The provided methodologies enable a fundamental3D investigation of the in-cylinder air flow and CCV at high temporal and spatial resolutions.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020663648
Interne Identnummern
RWTH-2020-11607
Datensatz-ID: 807768
Beteiligte Länder
Germany
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