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Experimentelle Untersuchung der Brennraumströmung eines Zweiventil-Dieselmotors

Neubert, Vinzenz Markus :
Experimentelle Untersuchung der Brennraumströmung eines Zweiventil-Dieselmotors.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchung der Brennraumströmung eines Zweiventil-Dieselmotors
Language: German
Abstract:

Die Gasströmung im Inneren eines Verbrennungsmotors beeinflusst maßgeblich dessen Verbrauch, Emissionen und Leistung. Turbulenz ist dabei von zentraler Bedeutung. Sie steuert grundlegend den Spezientransport während der Gemischbildung und der Entflammung, die Brenngeschwindigkeit während der Kraftstoffumsetzung sowie den Wärmetransport hin zu den Brennraumwänden in der Expansion. Schwankungen der Gasströmungen zwischen einzelnen Zyklen stellen dabei einen wesentlichen Punkt dar, der die Effizienz sowie die Abgasqualität heutiger Motoren beschränkt. Somit kommt der Analyse der Ladungsbewegung und ihrer zyklischen Schwankungen eine Schlüsselfunktion bei der Optimierung aktueller und der Entwicklung zukünftiger Brennverfahren zu.

Ziel dieser Arbeit war deshalb die Untersuchung der Zylinderinnenströmung eines Zweiventil-Dieselmotors sowie deren zyklische Schwankungen unter realistischen Betriebsbedingungen im gesamten Brennraum. Hierzu wurde zuerst ein Transparentmotor aufgebaut, der uneingeschränkten optischen Zugang in den Brennraum erlaubt. Zudem wurden Tracerpartikel ermittelt, die für den Einsatz in Transparentmotoren geeignet sind und Messungen über die gesamte Kompressionsphase hinweg erlauben. Für die Verwendung dieser Partikel am Motor musste ein Partikelgenerator entsprechend modifiziert werden. Umfas¬sende Untersuchungen der Brennraum¬strömung wurden zuerst mithilfe konventioneller Particle Image Velocimetry (PIV) und anschließend mittels High-Speed Particle Image Velocimetry (HS-PIV) durchgeführt. Anhand der Messdaten wurden des Weiteren die zeitliche und räumliche Entwicklung der Brennraumströmung sowie deren zyklische Variabilität analysiert. Ab¬schließend konnte gezeigt werden, dass sowohl Motor, Tracerpartikel und Messsystem auch für die Untersuchung von Einspritzvorgängen bzw. der Interaktion von Kraftstoffstrahl und Gasströmung geeignet sind.

Neben der Untersuchung von Strömungsstruktur und Geschwindigkeit erfolgte eine Analyse der Messdaten auch mittels statistischer Verfahren. Für jedes der Vektorfelder wurde auf Basis der klassischen Reynolds-Zerlegung die kinetische sowie die turbulente kinetische Energie des Strömungsfelds ermittelt. Da die mittels Reynolds-Zerlegung berechnete turbulente kinetische Energie immer auch Geschwindigkeitsschwankungen der Turbulenz zuschlägt, die ihren Ursprung in der zyklischen Variabilität großer Strömungsstrukturen haben, wurde mittels der Proper Orthogonal Decomposition versucht, den Beitrag großskaliger Schwankungen von dem kleinskaliger, turbulenter Schwankungen (POD) zu trennen. In enger Abstimmung zur experimentellen Analyse erfolgte die simulative Analyse der Ladungsbewegung desselben Motors in der Arbeit von Eva Brußies. Auf Basis der Simulation konnten wertvolle Erkenntnisse darüber gewonnen werden, in welchem Maße die turbulente kinetische Energie durch die PIV-Messungen erfasst wird.

Die im Zuge der Arbeit durchgeführten Untersuchungen tragen wesentlich zur Verbesserung des Verständnisses der Strömungsvorgänge im Inneren eines Dieselmotors bei. Außerdem stellen die Ergebnisse der Messungen aufgrund ihrer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie ihres außerordentlichen Umfangs eine wertvolle Basis für die Validierung von Strömungssimulationen dar. Durch den erstmaligen und erfolgreichen Einsatz von Graphitpartikeln als Tracer in Verbindung mit einem High-Speed PIV-System mit relativ geringer Laserenergie zur Analyse innermotorischer Strömungsvorgänge eines Dieselmotors wurde der Weg geebnet für vielfältige, weiter¬gehende Untersuchungen, die das Verständnis von Strömung, Gemischbildung und Verbrennung sowie deren Schwankungen zwischen Zyklen weiter vertiefen werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The gas flow in the cylinder of a combustion engine has a major influence on its efficiency, emission and power output. In this context, turbulence is of particular importance. It fundamentally controls the species transport during mixture preparation and ignition, the effective flame velocity during combustion and the heat transfer to the combustion chamber walls during expansion. Cyclic fluctuations of the gas flow are amongst the factors that limit efficiency and exhaust gas quality of current state-of-the-art engines. Therefore, a detailed understanding of the in-cylinder charge motion and its cyclic variation is a key factor in the optimization of current and future combustion concepts. In the course of the present work, the spatial distribution and temporal evolution of the in-cylinder charge motion of a two-valve Diesel engine and the associated cyclic variations was investigated. For this purpose, a transparent engine allowing unrestricted optical access to the combustion chamber was built-up and experiments under realistic conditions were carried out. Graphite powder was identified as a suitable tracer for the adaptation of Particle Image Velocimetry (PIV) in an optical diesel engine. Unlike oil droplets, graphite does not evaporate and thus allows measurements up to and beyond top-dead center of the engine cycle. In order to use these tracers in the engine, modifications of a commercial particle seeder were necessary. Comprehensive measurements of the in-cylinder charge motion were performed, first by means of conventional PIV and subsequently using high speed PIV (HS-PIV). The resulting measurement data has been used to study the spatial and temporal evolution of in-cylinder charge motion along with its cyclic variation and to track characteristics of the engine flow such as swirl, kinetic energy and turbulence. Since turbulent kinetic energy calculated by means of Reynolds decomposition also interprets large-scale, coherent velocity fluctuations as turbulence, an attempt was made to separate cyclic variations of the larger structures from turbulent fluctuations via an alternative approach referred to as Proper Orthogonal Decomposition (POD). Finally, it was successfully demonstrated that the combination of engine, tracer particles and measurement system also allows for the investigation of the fuel injection process as well as the interaction between fuel spray and gas flow. In close cooperation with the experimental work described in this thesis, a Large Eddy Simulation (LES) analysis of the charge motion of the same engine was carried out by Eva Brußies in the course of her PhD thesis. The results of these simulations made it possible to estimate the extent to which the PIV measurements accurately capture the turbulent kinetic energy of the in-cylinder gas flow. The investigations carried out in the context of this study have contributed significantly to an improved understanding of flow processes in the combustion chamber of a Diesel engine. Furthermore, due to their high spatial and temporal resolution as well as their comprehensiveness, the measurements are a valuable basis for the validation of flow simulations. Through the successful application of graphite tracer particles in combination with a high speed PIV system with relatively low laser pulse energy, the prerequisite for a multiplicity of further investigations to enhance the understanding of flow, mixture formation and combustion as well as their cyclic variations has been established.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 25 May 2016 09:55
Last Modified: 01 Jun 2016 13:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53565
Referees: Andreas, Prof. Dr. Dreizler and Christian, Prof. Dr. Beidl
Refereed: 3 February 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5356
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