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Numerical investigation of the in-cylinder flow-spray-wall interactions in direct injection engines

Pati, Andrea (2022):
Numerical investigation of the in-cylinder flow-spray-wall interactions in direct injection engines. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00022861,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Numerical investigation of the in-cylinder flow-spray-wall interactions in direct injection engines
Language: English
Abstract:

Internal combustion engines (ICEs) are an essential and common power source for personal mobility and the transport of goods. Despite their improvement over the last decades, they are still responsible for a relevant fraction of greenhouse gas and pollutant emissions. It is thus crucial to optimize them to enhance their efficiency and minimize emissions. This task is far from trivial because different physical phenomena, from a strongly unsteady turbulent multiphase flow to mixture ignition and combustion, interact in a cause-effect chain inside an ICE. Hence, it is challenging to study a single phenomenon individually, and engine studies must combine several research areas into a single multidisciplinary approach. In this context, numerical investigation methodologies can flank the experimental investigations as they make it possible to analyze many aspects of the engine that can be prohibitive to measure. This thesis develops a numerical method for engine simulation, striving toward accuracy, flexibility, stability and computational efficiency. All of these are necessary for proficiency in the multidisciplinary numerical study of the engine, in both academia and industry. This framework is used to investigate the phenomena preceding the combustion phase in the Darmstadt research engine, a Direct Injection Spark Ignition (DISI) optically accessible engine. In this context, new mesh motion methodologies are developed that are suitable for DISI engines, characterized by complex geometries. Such methodologies are designed to achieve maximum accuracy for RANS and LES simulations with minimum effort. Moreover, methodologies for multi-cycle simulations are developed, including pre-processing and post-processing methods. The strategy is fully validated by simulating a full cycle of the Darmstadt engine running in motored condition at different operating conditions, using a RANS approach. Furthermore, this work investigates spray dynamics, including the spray impingement and wall film evolution, which are relevant in predicting the fuel/air mixture distribution. A full cycle of the Darmstadt engine with ECN Spray G direct injection is simulated under different operating conditions to study the fuel/air mixture distribution right before the ignition. It is found that a reduced engine load reduces the drag and the breakup of the spray, increasing the mass of the wall film, while a higher engine speed reduces mixture stratification. A new breakup model is proposed, specific for predicting the spray evolution during the intake phase (early injection). Moreover, the newly developed model reduces the need for parameter adjustment, increasing the simulation reliability. A novel spray post-processing methodology is applied to directly compare the simulation with Mie scattering measurements. A satisfactory agreement in terms of the penetration length, asymmetry of the spray and velocity field is found inside the engine. Additionally, the interaction between the fuel spray and flow field during the injection is studied on different planes, to develop a set of phenomenological models for the in-cylinder flow-spray interaction. In order to characterize the physical properties of biofuels for spray simulation, particular importance is placed on the formulation of fuel surrogates. Hence, a Genetical Algorithm (GA) strategy is formulated to define surrogates of biofuels to predict properties such as the distillation and the vapor pressure. Furthermore, ten consecutive motored cycles of the Darmstadt engine are simulated using an LES approach. Good agreement is found with experimental data. The LES results are then used to analyze the turbulence production in the engine and its correlation with Cycle-Cycle Variability (CCV). Last, due to the importance of the boundary layer in engine efficiency, a set of near-wall flow variables have been extracted and analyzed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit mit Hilfe von Verbrennungsmotoren ist eine essentielle und weit verbreitete Energiequelle im Individualverkehr und dem Gütertransport. Trotz der stetigen Verbesserung dieser Motoren in den letzten Jahrzenten, tragen sie immer noch erheblich zu den weltweiten Schadstoff- und Treibhausgasemissionen bei. Die Steigerung ihrer Effizienz und weitere Reduktion der auftretenden Emissionen ist daher von großer Bedeutung. Diese Aufgabe ist alles andere als trivial, da ein breites Spektrum physikalischer Phänomene, von instabilen turbulenten Mehrphasenströmungen, über die Entzündung des Gemisches bis hin zur Verbrennung, in einer innermotorischen Wirkkette zusammenspielt. Da es schwierig ist, ein einzelnes Phänomen isoliert zu betrachten, ist es bei Untersuchungen am Verbrennungsmotor notwendig, mehrere Forschungsbereiche in einem multidisziplinären Ansatz zu kombinieren. In diesem Zusammenhang können insbesondere numerische Untersuchungen bereits etablierte experimentelle Analysen unterstützen. Numerische Simulationen bieten im ergänzend zu Experimenten die Möglichkeit Phänomene im Motor zu betrachten, die durch Messtechnik nur schwer zu erfassen sind. In dieser Arbeit wird eine numerische Methode für Verbrennungsmotorensimulationen mit Augenmerk auf Genauigkeit, Flexibilität, Stabilität und numerische Effizienz entwickelt. All diese Eigenschaften sind für die Anwendung multidisziplinärer Motoranalysen im akademischen aber auch industriellen Umfeld notwendig. Mit dem entwickelten Framework werden eine Reihe von numerischen Untersuchungen über innermotorische Phänomene vor der Zündung am optisch zugänglichen Forschungsmotor der TU Darmstadt durchgeführt. Eine neue Methode für die Netzbewegung wird entwickelt, die in komplexen Motorgeometrien verwendet werden kann. Diese Methode ist so konzipiert, dass sie mit minimalem Aufwand eine maximale Genauigkeit für RANS und LES Simulationen gewährleistet. Aus den Untersuchungen werden außerdem Methoden für das Pre-processing von Multizyklussimulationen und deren Ergebnisanalyse abgeleitet. Dieses Vorgehen wird anhand mehrerer RANS- Simulationen eines Arbeitsspiels des Motors anhand verschiedener geschleppter Betriebspunkte validiert. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit die Spraydynamik einschließlich des Sprayaufpralls sowie die Ausbildung und Entwicklung des Wandfilms untersucht. Beides ist für die Vorhersage der Kraftstoff-Luft-Gemischbildung von hoher Relevanz. Hierfür werden Simulationen des Darmstadt Motors mit dem ECN Spray G Injektor bei verschiedenen geschleppten Betriebspunkten durchgeführt und das Gemisch vor dem Zündzeitpunkt analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit geringerer Motorlast der Luftwiderstand und damit auch das Aufbrechen des Sprays reduziert wird. Hierdurch kann eine erhöhte Wandbenetzung festgestellt werden. Bei erhöhter Motordrehzahl nimmt die Schichtung ab. Ein neues Modell für den Zerfall des Kraftstoffstrahls wird vorgeschlagen und angewendet. Dieses ist insbesondere für die Vorhersage der Sprayentwicklung während des Ansaugtakts (frühe Einspritzung) geeignet. Das neu entwickelte Modell reduziert die Anzahl der durch den Nutzer anzupassenden Parameter, wodurch die Zuverlässigkeit der Simulation gesteigert wird. Um die Simulation mit experimentellen Mie-Streuungsmessungen zu vergleichen, wird eine neuartige Post-Processing- Routine eingesetzt, durch die ein direkter Vergleich ermöglicht wird. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung in Bezug auf Endringtiefe, Asymmetrie und der Geschwindigkeitsfelder kann in der Motorsimulation aufgezeigt werden. Zudem wird die Simulation auf verschiedenen Schnittebenen ausgewertet, um die Wechselwirkung zwischen Einspritzung und Strömungsfeld zu beurteilen. Aus dieser Auswertung können eine Reihe phänomenologischer Modelle, die die Spray-Strömungs-Interaktion im Brennraum beschreiben, abgeleitet werden. Um die physikalischen Eigenschaften von Bio-Kraftstoffen für beim Einsatz in Spray-Simulationen zu ermitteln, ist es wichtig auf die richtige Formulierung von Kraftstoff-Surrogaten zu achten. Daher wird ein genetischer Algorithmus eingesetzt, der für die Definition der Eigenschaften wie Destillationskurve und Dampfdrucks von Biokraftstoff- Surrogaten geeignet ist. Ferner werden zehn aufeinander folgende Arbeitsspiele des geschleppten Darmstadt Motors mit LES Turbulenzmodellierung simuliert. Es kann eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment beobachtet werden. Die Ergebnisse werden hinsichtlich der Turbulenzproduktion im Motor analysiert und mit zyklischen Schwankungen korreliert. Abschließend wird der starke Einfluss von Wandgrenzschichten auf die Effizienz eines Motors durch die Auswertung und Analyse von wandnahen Strömungsgrößen weiter beleuchtet.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 221 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Simulation of reactive Thermo-Fluid Systems (STFS)
Date Deposited: 15 Nov 2022 13:47
Last Modified: 16 Nov 2022 06:51
DOI: 10.26083/tuprints-00022861
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-228611
Referees: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Lucchini, Prof. Dr. Tommaso
Date of oral examination: 25 January 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22861
PPN: 501679383
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