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Analysis of cyclic phenomena in a gasoline direct injection engine of flow and mixture formation using Large-Eddy Simulation and high-speed Particle Image Velocimetry

Nicollet, Franck :
Analysis of cyclic phenomena in a gasoline direct injection engine of flow and mixture formation using Large-Eddy Simulation and high-speed Particle Image Velocimetry.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Analysis of cyclic phenomena in a gasoline direct injection engine of flow and mixture formation using Large-Eddy Simulation and high-speed Particle Image Velocimetry
Language: English
Abstract:

The European Commission legislation concerning the reduction of CO2 emission limits until 2020, has encouraged the car manufacturers to develop cleaner and more efficient combustion engines. Strategies for lean gasoline combustion using stratified operation in the lower part load range and ultra-lean homogeneous operation for higher engine loads have a huge potential to reduce fuel consumption and CO2 emissions. Improved de-throttling at low loads in combination with favourable gas properties and reduced wall heat losses are the main benefits. However, high-speed Particle Image Velocimetry (PIV) measurements have shown that the cycle-to-cycle variation (CCV) of the in- cylinder flow correlate significantly with the CCV of the indicated mean effective pressure (IMEP) in stratified engine operation.

The goal of this research work is to understand the 3D-flow phenomena in the chain of in-cylinder processes leading to the CCV of the IMEP. The current PhD thesis comprises a joint experimental and numerical investigation of the in-cylinder flow in a direct injection spark ignition (DISI) engine during stratified engine operation. High-speed PIV measurements are carried out quasi simultaneously in the central tumble and the intake valve plane in an optically accessible single-cylinder engine derived from the Mercedes-Benz’s M274 production engine. Multi-cycle Large-Eddy Simulation (LES) is performed on the same engine geometry with the research code AVBP co-developed by IFPEN and CERFACS. AVBP was chosen among other commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) codes due to its low-dissipative explicit acoustic solver and high mesh quality standards.

As there is today no universal reliable LES validation strategy available, the question remains open on which level of detail a validation is required. A new PIV-guided LES validation strategy based on the local and global in-cylinder flow structures is proposed. The main targets are defined: First, to reproduce the experiments in terms of the mean flow structures and flow fluctuations; secondly, using conditional statistics to confirm the flow hypothesis derived from PIV that reveals the formation of a local ‘upward flow’ below the spark-plug impacting combustion; thirdly, to extract a more detailed understanding of the 3D in-cylinder flow structures leading to the formation of the ‘upward flow’; finally, to identify the key in-cylinder flow parameter influencing the CCV of the IMEP. In order to assess the full potential of LES, the flow prediction using the 2 nd and 3 rd -order centred in space convective schemes Lax-Wendroff and TTGC is also performed. In the experiments, the missing link between the CCV of the in-cylinder flow and the CCV of the IMEP is the air-fuel ratio (lambda) information within the cylinder. The Lagrangian spray simulation in LES of the Piezo- actuated Pintle-type injector (Bosch HDEV 4.1) is addressed in this research work. The primary droplet break-up process is derived from the transient internal-nozzle flow simulation computed with the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). The initialisation of the spray is achieved through a coupling interface in the LES computational model. A methodology featuring a spray adaptive region is developed and validated against closed-volume chamber spray measurements. The integration of the validated spray methodology into the gas-exchange mesh is achieved using a new moving-mesh strategy specially developed for the explicit acoustic LES solver of AVBP. A multi- cycle LES with injection is performed in stratified engine operation with the aim to investigate the CCV of the key in-cylinder flow parameters before the injection and the CCV of the lambda distribution at ignition time.

A complete chain of cause-and-effect of the successive in-cylinder processes is derived, starting from the in-cylinder flow characteristics before the injection until the lambda distribution around the spark-plug at the start of combustion. Those findings increase significantly the level of knowledge and understanding of spray-guided combustion systems. Solutions are proposed to reduce the CCV of the IMEP in the current engine configuration. The PhD thesis underlines the necessary complementarity of PIV and LES to solve complex 3D-flow problem.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die verbindlichen Regularien der Europäischen Kommission zur Reduktion der CO2-Flottenemissionen bis 2020 erfordern neue Konzepte für die Entwicklung neuer saubereren und effizienteren Verbrennungsmotoren. Im Teillastbereich von Ottomotoren können Magerbrennverfahren wie der Schicht- und Homogenmagerbetrieb große Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen erzielen. Sie ermöglichen einen Motorbetrieb mit Luftüberschuss ohne Drosselverluste und bei thermodynamisch vorteilhaften Bedingungen. Magerbrennverfahren sind jedoch anfällig für Verbrennungsinstabilitäten. Strömungsmessungen mit high-speed Particle Image Velocimetry (PIV) zeigen, dass die Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen (CCV) des Indizierten Mitteldrucks (IMEP) direkt auf die CCV des innenmotorischen Strömungsfeldes im Schichtbetrieb zurückzuführen sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist ein erweitertes Verständnis der drei-dimensionalen Zylinderinnenströmung, die statistische signifikante Wechselwirkungen auf die CCV des IMEP aufzeigen. Zu diesem Zweck werden experimentelle und numerische Untersuchung der zyklischen Schwankungen der Zylinderinnenströmung im Schichtbetrieb kombiniert. Der Versuchsträger ist ein optisch zugänglicher Einzylindermotor, dessen Geometrie den aktuellen M274-Vollmotor von Mercedes-Benz entspricht. Mittels PIV-Messungen werden die instantanen Strömungsfelder gleichzeitig in zwei Ebenen vermessen. An dem gleichen Aggregat werden zahlreiche Arbeitsspiele mit der Large-Eddy Simulation (LES) berechnet. Der Forschungscode AVBP von IFPEN und CERFACS ist für diese Arbeit aufgrund des explizit akustischen LES-Solvers mit weniger numerischer Viskosität und der hohen Rechengitter-Qualität gewählt worden. Derzeit gibt es keine universelle Vorgehensweise für die LES-Validierung sowie klare Aussagen über deren erforderlichen Detaillierungsgrad. In dieser Arbeit wird eine neue Methodik zur LES- Validierung auf Basis lokaler und globaler Strömungsstrukturen vorgestellt, genannt „PIV-guided LES validation strategy“. Dabei werden das gemittelte Strömungsfeld sowie die Strömungsfluktuationen von Simulation und Messergebnissen verglichen. Mittels konditionierter Statistik kann die Hypothese aus den PIV-Messungen bzgl. der Entstehung einer aufwärtsgerichteten Strömung unter der Zündkerze bestätigt werden. Die hierfür verantwortlichen 3D-Strömungsstrukturen werden extrahiert und klassifiziert. Schließlich werden lokale Strömungskennzahlen abgeleitet, die mit der CCV des PMI korrelieren. Um das ganze Potential der LES zu evaluieren, wird ein Vergleich zwischen zwei Zentraldifferenzen-schemata unterschiedlicher Diskretisierungsordnung für die Konvektion durchgeführt. Die Information über die Interaktion des lokalen und globalen Luft-Kraftstoff- Verhältnisses (Lambda) mit der fluktuierenden Zylinderinnenströmung ist im Rahmen der experimentellen Dateien nicht vorhanden. In dieser Arbeit wird ein Lagrange’sches Strahlmodell für die Gemischbildungssimulation in LES erstellt. Aus einer transienten Düseninnenströmungssimulation mit den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) wird der turbulenz-induzierte Primärzerfall des Piezo-Injektors modelliert und durch ein Interface an der LES gekoppelt. Ein hochauflösendes strahladaptives Rechennetz wird in LES verwendet. Die Modellvalidierung erfolgt mit Strahldiagnostik in einer Hochdruckkammer. Eine neue Strategie für das bewegte Rechengitter wird entwickelt, um die Integration der obengenannten Methodik mit dem akustischen LES-Solver zu ermöglichen. Dadurch kann die Gemischbildung im Schichtbetrieb berechnet werden. Eine Korrelation zwischen den Strömungskennzahlen vor der Einspritzung und der -Verteilung vor der Zündung wird untersucht. Die zeitliche und räumliche Auflösung der einzelnen Prozesse in LES erlaubt eine vollständige Wirkkettenanalyse vom Strömungszustand vor der Einspritzung bis zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Zündkerze zum Zündzeitpunkt. Dadurch werden die Kenntnisse über das Schichtbrennverfahren erweitert, und Lösungen zum Reduzieren der zyklischen Schwankungen aufgezeigt. Diese Arbeit unterstreicht, dass PIV und LES eine notwendige Ergänzung zu einander darstellen, um ein komplexes Strömungsproblem zu analysieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 31 Jan 2019 10:28
Last Modified: 31 Jan 2019 10:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83856
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Hasse, Prof. Dr. Christian
Refereed: 19 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8385
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  • Analysis of cyclic phenomena in a gasoline direct injection engine of flow and mixture formation using Large-Eddy Simulation and high-speed Particle Image Velocimetry. (deposited 31 Jan 2019 10:28) [Currently Displayed]
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