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Large Eddy Simulation Of A Controlled Auto-Ignition Engine Using A Multi-dimensional Tabulated Chemistry Approach

Yildar, Esra :
Large Eddy Simulation Of A Controlled Auto-Ignition Engine Using A Multi-dimensional Tabulated Chemistry Approach.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Large Eddy Simulation Of A Controlled Auto-Ignition Engine Using A Multi-dimensional Tabulated Chemistry Approach
Language: English
Abstract:

Considering limited fossil fuel resources and strict limitations of pollutant emissions, the demand for fuel-efficient and environment friendly Internal Combustion Engines (ICE) increases. Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine is of great technological interest as it combines the advantages of both the diesel engine and the spark ignition engine. Firstly, the efficiency of HCCI is comparably high as the diesel engine due to high compression ratios. Secondly, due to strongly diluted and well-mixed charge in the HCCI engine, the emissions of NOx and particulate matter (PM) are reduced. However, HCCI combustion suffers from a lack of control of the ignition process and since high peak pressures and heat releases occur at high loads, the HCCI technology is applied only for a limited operating range. To overcome this issue, strategies are developed to control HCCI combustion which refers to the Controlled Auto Ignition (CAI) concept.

The CAI combustion is controlled by the chemical kinetics and highly depends on the properties of the mixture field. Inhomogeneities in the mixture and temperature field designate the combustion characteristics of CAI. Thus, the prediction of the auto-ignition process requires an accurate description of the chemistry within the whole range of thermodynamic conditions given by thermal and composition inhomogeneities. For a better understanding of the chemical and physical phenomena in CAI engines Computational Fluid Dynamics (CFD) is a powerful tool. With regard to a more accurate prediction of situations that intrinsically depend on temporal and spatial variations associated with turbulence, the Large Eddy Simulation (LES) has established as a turbulence modelling approach.

Building upon the previous studies, within this work a numerical method to simulate CAI engines is developed. The model consist of the joint application of LES and pre-tabulated auto-ignition chemistry which is implemented into the engine code KIVA-4mpi. The overall numerical framework is verified with zero and one dimensional test cases and applied to a real engine configuration. The dependency of the ignition on scalar quantities being the temperature, air-ratio, Exhaust Gas Recirculation (EGR) and pressure is outlined. Statistical analysis was performed to characterize the strong spatial inhomogeneities within the cylinder. It revealed a strong correlation between the EGR and the temperature as well as two separate branches along which the probability of EGR and the air-ratio evolved. It is demonstrated that the combustion process is pre-determined by these conditions found in the CAI engine. Finally, the analysis of consecutive cycles revealed a strong influence caused by the EGR. It is illustrated that the cycles show non-negligible differences in the ignition delay.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Aufgrund der Verknappung fossiler Brennstoffe und strenger gesetzlicher Emissionsgrenzwerte steigt der Bedarf an verbrauchsarmen und umweltfreundlichen Verbrennungsmotoren stetig an. Aus derzeitiger Perspektive bieten beispielsweise HCCI-Verbrennungsmotoren (Homogeneous Charge Compression Ignition), welche die Vorteile von Diesel- und Ottomotoren vereinen, ein großes Potential für zukünftige Motorenkonzepte. So erreichen HCCI-Motoren, mittels hoher Verdichtungsverhältnisse, vergleichbar hohe Wirkungsgrade wie Diesel-Motoren. Zusätzlich lassen sich Schadstoffe wie NOx und Rußpartikel durch die homogene Kompressionszündung im Motor verringern. Diesen Vorteilen von HCCI-Motoren stehen jedoch auch Herausforderungen entgegen. So schränken unkontrollierte Zündzeitpunkte und Wärmefreisetzungen bei Volllastbetrieb den Arbeitsbereich der HCCI-Motoren ein. Als Abhilfe werden Regelungskonzepte für HCCI-Motoren entwickelt, welchen als Motoren mit kontrollierter Selbstzündung CAI (Controlled Auto Ignition) bezeichnet werden. Die innermotorische Verbrennung mit kontrollierter Selbstzündung wird maßgeblich durch die Reaktionskinetik und Ladungszusammensetzung im Brennraum bestimmt. Hierbei wird der Verbrennungsvorgang entscheidend durch die Inhomogenitäten im Mischungs- und Temperaturfeld beeinflusst. Die Vorhersage der hierbei ablaufenden Prozesse ist aufwendig und erfordert eine umfassende, orts- und zeitaufgelöste Beschreibung der chemischen und thermodynamischen Zustände. In diesem Kontext gewinnen Computersimulationen (computational fluid dynamics CFD) zunehmend an Bedeutung. Eine vielversprechende Methode zur Vorhersage und Analyse der instationären chemischen und physikalischen Phänomene in HCCI-Motoren bietet hierbei die numerische Beschreibung mittels Grobstruktursimulationen (LES). Aufbauend auf vorangegangen Untersuchungen, ist es Gegenstand der vorliegenden Arbeit eine numerische Methode zur Berechnung von HCCI-Motoren mit kontrollierter Selbstzündung zu entwickeln. Das Verfahren, welches in das CFD Programm KIVA-4mpi implementiert wurde, basiert auf einer zeitaufgelösten, dreidimensionalen Beschreibung des Strömungsfeldes im Rahmen der Grobstruktursimulation. Die chemischen Reaktionen der Selbstzündung werden mithilfe vortabellierter Chemie beschrieben. Die Methode wurde mittels null- und eindimensionalen Testfällen verifiziert und anschließend auf eine reale Motorkonfiguration angewendet. Bezüglich der Motorkonfiguration wurde der Einfluss skalarer Größen wie Temperatur, Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Abgasrückführung (AGR) und Druck auf die Selbstzündung untersucht. Es wurde eine statistische Analyse zur Beschreibung der starken Inhomogenitäten dieser skalaren Größen im Brennraum durchgeführt. Es konnte eine deutliche Korrelation zwischen der AGR und der Temperatur festgestellt werden. Weiterhin zeigte sich dass sich die kombinierte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der AGR und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entlang zweier Zweige entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass im Falle von HCCI-Motoren mit kontrollierter Selbstzündung, der Verbrennungsprozess von diesen Größen bestimmt ist. Schließlich ergab die Analyse von aufeinanderfolgende Motorzyklen einen starken Einfluss des AGR auf die Selbstzündung. Hierbei zeigen die Motorzyklen einen nicht zu vernachlässigenden Unterschied im jeweiligen Zündverzug.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 18 Apr 2017 05:50
Last Modified: 18 Apr 2017 05:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-61290
Referees: Janicka, Prof. Dr. Johannes and Hasse, Prof. Dr. C.
Refereed: 15 March 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6129
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