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Large Eddy Simulation of the Flow and Mixing Field in an Internal Combustion Engine

Goryntsev, Dmitry :
Large Eddy Simulation of the Flow and Mixing Field in an Internal Combustion Engine.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Large Eddy Simulation of the Flow and Mixing Field in an Internal Combustion Engine
Language: English
Abstract:

The call for environmentally compatible and economical vehicles, still satisfying demands for high performance, necessitates immense efforts to develop innovative engine concepts. Whereas direct injection gasoline engines promise considerable fuel savings, they are prone to large variations in the flow and mixing field which may lead to incomplete combustion. Modern internal combustion (IC) engine concepts like the Gasoline Direct Injection offer a great chance to meet current and future emission standards. Especially air-guided direct injection systems used to instantiate stratified charge at part load allow for an optimised fuel consumption and a low level of emissions. During this crucial process, the engine is very sensitive to cycle-to-cycle variations of the flow and mixing field. While numerous experimental and RANS-based numerical investigations concentrated on the way to gain insight into the behavior of the spray in IC-Engines, LES may help in delivering detailed unsteady information needed to understand better the strongly transient phenomena ongoing in the combustor. The present study is dedicated to the detailed investigation of the phenomena of cycle-to-cycle variations in a realistic IC-engine using LES in order to achieve a better understanding of their nature, origin and their influence on the flow and mixing field in a combustion chamber, and also in order to create a base for future improvements. The configuration investigated represents the “BMBF” generic four-stroke direct fuel injection engine with variable charge motion system. This is a realistic IC-Engine with four canted valves with asymmetric cylinder head and asymmetric bowl. The well-known KIVA-3V code extended to LES which is capable of simulating two-phase engine flows was used. A relatively fine computational mesh reflecting all geometrical features of the ”BMBF” IC-engine has been created and tested. In order to characterize the cycle-to-cycle variations LES calculations coupled with a suitable parallelization strategy have been used to simulate for 50 full engine cycles. Phase-averaged statistics have been presented for characteristic crank angles. Investigations of the cyclic fluctuations have shown that the cycle-to-cycle phenomena are directly linked to the turbulence and can not be considered separately from each other. In the case of single-phase flow, the maximal intensity of cycle-to-cycle velocity variations in the combustion chamber is reached during the intake, mainly at the tip of the intake jet, and during compression, mainly at the center of the tumble motion. At the end of compression stroke the highest intensity of cyclic fluctuations is found at the center of the in-cylinder tumble motion which is roughly located near the spark plug close to the ignition point. At the same time examination of the expansion and exhaust strokes shows relatively low intensity of the cycle-to-cycle velocity fluctuations. The quality of the LES simulations applied to complex engine configurations has been assessed. Numerical and statistical errors have been analyzed. As a general guideline a mesh with grid size seems to be the minimum requirement to represent the flow field with reasonable accuracy. In order to control statistical errors it can be recommended to perform roughly 25 engine cycles in order to get mean velocities right and 50 cycles to ensure a good prediction of cyclic fluctuations. In the case of two-phase flow the flow field in the combustion chamber is defined by a superposition of in-cylinder charge motion and injected fuel spray jet. This interaction results in a considerable increase of the intensity of cyclic velocity fluctuations at the center of the tumble motion. The analysis has shown a great impact of velocity cyclic variations on the air-fuel mixing processes as well as fuel jet penetration and forming of fuel vapor cloud in the area near the spark plug. A lean fuel mixture is mostly found at the spark plug location for the considered ignition points under the given operating condition. Inflammable air-fuel mixtures lead to engine misfires which directly affect the work output and the vehicle driveability. These effects have to be considered in the development of modern DISI IC-engines.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Forderung nach ökonomischen und ökologischen Fahrzeugantrieben bedingt große Anstrengungen innovative Motorkonzepte zu entwickeln. Direkteinspritzende Otto-Motoren haben ein großes Potenzial zur Kraftstoffeinsparung, sind jedoch anfällig für zyklische Schwankungen des Strömungs- und Mischungsfeldes die Fehlzündungen und somit einen starken Anstieg der Emissionen bewirken können. Um den zukünftigen Emissionsrichtlinien von direkteinspritzenden Ottomotoren gerecht werden zu können, ist es wichtig, während der Ladungsschichtung eine zuverlässige Prozesssicherheit zu haben, da der Motor während dieses Vorgangs sehr empfindlich für Zündaussetzer ist, welche durch zyklische Schwankungen des Strömungs- und Mischungsfeldes verursacht werden. Diese Fluktuationen bedingen einen starken Anstieg der Emissionen. Während zahlreiche experimentelle und konventionelle numerische Untersuchungen sich darauf beschränken, Informationen über das gemittelte Strömungs- und Mischungsfeld in einem Verbrennungsmotor zu erhalten, kann die LES detaillierte Informationen über Schwankungsphänome liefern, um die stark transienten Phänomene, die im Inneren des Verbrennungsraums ablaufen, besser verstehen zu können. Die vorliegende Arbeit widmet sich der detaillierten Untersuchung des Phänomens der zyklischen Schwankungen in einem realistischen Verbrennungsmotor, um ein verbessertes Verständnis ihrer Natur, ihres Ursprungs und ihres Einflusses auf das Strömungs- und Mischungsfeld im Verbrennungsraum zu erlangen, aber auch um eine Basis für zukünftige Verbesserungen zu schaffen. Die untersuchte Konfiguration repräsentiert den generischen “BMBF” direkteinspritzenden Viertaktmotor mit variablem Tumble-System. Es handelt sich um einen realistischen Verbrennungsmotor mit vier geneigten Ventilen, mit asymmetrischem Zylinderkopf und einer Kolbenmulde. Ein LES Modell, mit dem Zweiphasenströmungen simuliert werden können, wurde in den bekannten KIVA-3V Code implementiert. Ein feines Berechnungsgitter, dass alle geometrischen Besonderheiten des “BMBF” Verbrennungsmotors enthält, wurde erstellt und getestet. Um die zyklischen Schwankungen zu charakterisieren, wurden LES Berechnungen mit einer geeigneten Parallelisierungsstrategie durchgeführt, um bis zu 50 volle Motorzyklen zu simulieren. Phasengemittelte Statistiken wurden für charakteristische Kurbelwinkel ausgewertet und präsentiert. Die Untersuchungen eines Verbrennungsmotors mit Hilfe von LES haben gezeigt, dass das Phänomen der zyklischen Schwankungen des Strömungs- sowie des Mischungsfeldes in engem Zusammenhang mit der Turbulenz in dem System steht und ohne die Berücksichtung des turbulenten Strömungsverhaltens nicht dargestellt werden kann. Im Fall der einphasigen Strömung treten die maximalen zyklischen Geschwindigkeitsvariationen im Ansaugtakt direkt an der Spitze des einströmenden Gas-Jets und im Kompressionstakt im Zentrum der rotierenden Wirbelströmung auf. Am Ende des Kompressiontakts sind die stärksten zyklischen Fluktuationen weiterhin im Zentrum des Brennrauminneren zu finden, wo sich die Zündkerze befindet. Im Gegensatz dazu sind während des Arbeits- und des Auslasstaktes keine auffallend starken zyklischen Schwankungen nachweisbar. Die Analyse des numerischen und des statistischen Fehlers hat gezeigt, dass ein Gitter mit 320.000 Kontrollvolumen die minimale Voraussetzung für die Darstellung des Strömungsfeldes mit annehmbarer Genauigkeit ist. Der statistische Fehler für die mittlere Geschwindikeit bzw. für die zyklischen Schwankungen im Brennrauminneren kann erst nach ca. 25 bzw. 50 Motorzyklen als klein angesehen werden. Im Falle der zweiphasigen Beschreibung wird das Strömungs- und Mischungsfeld im Brennrauminneren durch die Luftströmung und zusätzlich durch die Injektion des Kraftstoffsprays bestimmt. Die Interaktion von Luft und flüssigem Kraftstoff führt zu einem beachtlichen Anstieg der zyklischen Geschwindigkeitsschwankungen im Zentrum der Brennraumströmung. Die zweiphasigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die zyklischen Geschwindigkeitsvariationen einen großen Einfluss auf den Mischungsprozess von Luft und Kraftstoff sowie auf die Benetzung der Zylinderwände mit Kraftstoff und die Ausbildung der Kraftstoff-Dampf-Wolke in der Umgebung der Zündkerze haben. Abschließend ist festzustellen, dass zyklische Schwankungen die Bildung von mageren Kraftstoff-Luftmischungen in der Nähe des Zündpunktes bestimmen und so wesentlich zu Fehlzündungen im Verbrennungsmotor beitragen.German
Uncontrolled Keywords: Large Eddy Simulation (LES), two-phase flow, cycle-to-cycle fluctuations, Direct Injection Spark Ignition (DISI) IC-engine, air-fuel mixing, in-cylinder charge motion, mesh generation, parallelization
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Large Eddy Simulation (LES), two-phase flow, cycle-to-cycle fluctuations, Direct Injection Spark Ignition (DISI) IC-engine, air-fuel mixing, in-cylinder charge motion, mesh generation, parallelizationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10804
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Refereed: 18 December 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1080
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