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Untersuchung der dieselmotorischen Wirkkette in Hochdruckeinspritzkammern und Verbrennungsmotoren

von Koerber, Valerie (2020):
Untersuchung der dieselmotorischen Wirkkette in Hochdruckeinspritzkammern und Verbrennungsmotoren.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011811,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung der dieselmotorischen Wirkkette in Hochdruckeinspritzkammern und Verbrennungsmotoren
Language: German
Abstract:

Angesichts des Klimawandels, des stetig steigenden Bedarfs an individueller Mobilität und der verbreiteten Nutzung von Dieselfahrzeugen ist die Senkung von Schadstoffemissionen, Verbrauch und CO2 im Dieselmotor von großer Bedeutung. Insbesondere der Senkung der Rohemissionen wird dabei ein großes Potential zugeschrieben. Zur Nutzung dieses Potentials werden Methoden benötigt, die die Wirkzusammenhänge zwischen dem Design von Einspritzsystem und Motor berücksichtigen und nutzbar machen. Die große Variantenvielfalt und Komplexität legen die Nutzung von computergestützte Simulationsmethoden nahe. In dieser Arbeit werden die Wirkzusammenhänge entlang der beteiligten Prozesse anhand einer durchgängigen Simulationsmethode untersucht. Die Simulation wird dabei in zwei Schritten validiert. Gemischbildung, Zündung und Verbrennung werden anhand eines Vergleichs von Hochdruckeinspritzkammer- Experimenten und Simulationen untersucht. Die Simulation von Verbrauch und Schadstoffe wird anschließend mithilfe von Motorprüfstandsergebnissen bewertet. Das Hochdruckeinspritzkammer-Experiment wird in Anlehnung an das Engine Combustion Network (ECN) Spray B [1] durchgeführt. Mithilfe von zwei Kameras werden gleichzeitig Mie-Streulicht, Schlieren und Line of Sight Lichtemissionen aufgenommen. Daraus werden die flüssige Eindringtiefe, die Dampfeindringtiefe, der Zündverzug und die Flammenabhebehöhe bestimmt. Die Simulation baut auf einer bestehenden Toolkette [2, 3, 4] auf, die die Wirkkette vom Injektor bis zum Brennraum abbildet. Die 3D-CFD Spray- und Verbrennungssimulation wird mit AVL FIRE durchgeführt. Aufgrund der vergleichsweise geringen Rechenzeit erfolgt die Modellierung der chemischen Reaktionen mit tabellierter Chemie mit TABKIN FGM als Ansatz. Im Vergleich von Hochdruckeinspritzkammer- Experimenten und Simulationen wird der Bereich von Kammerbedingungen ermittelt, innerhalb dessen die Simulation das Experiment gut abbildet. Zusätzlich werden der Einfluss der Sprayinitialisierung, die Eignung einer Mischung aus n-Dodekan und p-Xylen als Surrogat und das Spray- und Verbbrennungsverhalten bei Mehrfacheinspritzungen untersucht. Die Beobachtungen an der Brennkammer werden für die Einschätzung der Qualität der Simulation von Spraybildung und Zündung für verschiedene Betriebspunkte und Einspritzmuster im Motor herangezogen. Für die Bewertung der Motorsimulation werden Druckkurven und integrale Mengen an Ruß- und Stickoxidemissionen im Vergleich zum Experiment analysiert.

[1] Y. Jung u. a. Assessment of the Ignition and Lift-off Characteristics of a Diesel Spray with a Transient Spreading Angle. In: SAE International Journal of Engines (Sep. 2015). [2] M. Stahl. Experimentelle und numerische Untersuchung des primären Strahlzerfalls von Druckzerstäubern. Diss. TU Darmstadt, 2008. [3] B. Balewski. Experimental Investigation of the influence of Nozzle-Flow Properties on the Primary Spray Breakup. Diss. TU Darmstadt, 2010. [4] F Fischer. Primary breakup model considering the spray core development. Diss. ETH Zürich,2011.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Facing climate change, a steadily growing demand for individual mobility and the widespread use of diesel vehicles, the reduction of pollutant emissions, fuel consumption and CO2 of the diesel engine is very important. The potential of reducing the exhaust-gas emission before the catalytic converter is assumed to be especially high.In order to make use of this potential there is a need for methods that consider and use the cause-effect correlations of injection system and engine. The high variant diversity and complexity suggest the use of computer based simulation methods. In this thesis the cause-effect correlations along all involved processes will be analysed with the support of a continuos simulation method. The simulation is being validated in two steps. The mixture formation, ignition and combustion are analysed by a comparison of high pressure combustion chamber experiments and simulations. The simulation of fuel consumption and pollutant emissions is subsequently assessed by comparison to engine test bench results. The high pressure combustion chamber experiment is executed following the Engine Combustion Network (ECN) Spray B [1]. Two high speed cameras simultaneously record Mie scattering, Schlieren and line of sight light emission images. From this images the liquid penetration, vapor penetration, ignition delay and flame lift-off length are determined. The simulation is based on an existing tool chain [2, 3, 4] which maps the cause-effect chain from the injector to the combustion chamber. The 3D-CFD spray and combustion simulation is done by using the AVL FIRE software. Due to the relatively small computing time the chemical reactions are modelled by tabulated chemistry using TABKIN FGM as an approach. The comparison of high pressure combustion chamber experiments and simulation shows the range of initial chamber conditions for which the simulations fit the experiments. Additionally the impact of spray initialisation, the validity of a n-Dodecane and p-Xylene mixture as diesel surrogate and the spray and combustion behaviour for multiple injections is assessed. The observations made for the combustion chamber are used to estimate the quality of spray formation and ignition in different operating points and injection patterns in the engine. For the evaluation of engine simulations, pressure curves and integral values of soot and nitrogen oxides are assessed in comparison to the experiment. [1] Y. Jung u. a. Assessment of the Ignition and Lift-off Characteristics of a Diesel Spray with a Transient Spreading Angle. In: SAE International Journal of Engines (Sep. 2015). [2] M. Stahl. Experimentelle und numerische Untersuchung des primären Strahlzerfalls von Druckzerstäubern. Diss. TU Darmstadt, 2008. [3] B. Balewski. Experimental Investigation of the influence of Nozzle-Flow Properties on the Primary Spray Breakup. Diss. TU Darmstadt, 2010. [4] F Fischer. Primary breakup model considering the spray core development. Diss. ETH Zürich,2011.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems (STFS)
Date Deposited: 30 Sep 2020 11:58
Last Modified: 30 Sep 2020 17:06
DOI: 10.25534/tuprints-00011811
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-118115
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian and Wensing, Prof. Dr. Michael
Refereed: 5 May 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11811
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