Entwicklung eines Fortschrittsvariablenmodells zur 3D-CFD-Simulation dieselmotorischer Zündung und Verbrennung

In dieser Arbeit wird ein Modellierungskonzept zur 3D-CFD-Simulation der dieselmotorischen Zündung und Verbrennung entwickelt. Dabei ist das übergeordnete Ziel die Relevanz der detaillierten Reaktionskinetik auf Zünd- und Verbrennungsprozesse komplexer Kohlenwasserstoffe anhand Fragestellungen aus der Brennverfahrensentwicklung moderner Dieselmotoren zu bewerten. Diese Forderung bedingt ein rechenzeiteffizientes Modellierungskonzept, das sich in die vorhandene Simulationsumgebung zur Berechnung der Direkteinspritzung des Kraftstoffs, der Gemischbildung, der Zündung und Verbrennung und letztlich der Schadstoffbildung einfügt.
... mehr
Ein Ziel dieser Arbeit ist insbesondere die Verbesserung der Prognosegüte der kinetisch-kontrollierten Vormisch- und teilhomogenen Verbrennung, die bspw. bei sauerstoffarmer Verbrennung zur Reduzierung der innermotorisch entstehenden Stickoxide an Relevanz gewinnt. Dabei ist die genaue Kenntnis der Reaktionsgeschwindigkeiten entscheidend. Zur Bestimmung der Reaktionsraten wird in dieser Arbeit ein Fortschrittsvariablenmodell erweitert und in den 3D-Strömungslöser StarCD integriert. Dazu wird ein Modellkonzept entwickelt, welches sich in drei Teilbereiche gliedert: die Homogene-Reaktor-Rechnungen, die Tabellierung der Lösungen und die Schnittstelle zum 3D-Strömungslöser.
Die Validierung der einzelnen Teilmodelle der Simulationskette erfolgt anhand brennender Freistrahlen einer Hochdruck-/ Hochtemperaturkammer. Die Anwendung des Modellkonzepts für motorische Fragestellungen wird anhand 3D-CFD-Simulationen mehrerer Betriebspunkte des Hochdruck-Arbeitsprozesses eines Pkw-Motors mit Mehrfacheinspritzung und eines schweren Nutzfahrzeugmotors mit Höchst-AGR-Brennverfahren analysiert und bewertet. Dabei werden unter anderem gemessene Druck- und Brennverläufe sowie integrale Messgrößen den Simulationsergebnissen gegenübergestellt.

In this thesis a modelling concept for 3D-CFD-simulation of diesel internal combustion engines is developed with focus on the self-ignition and combustion. The overall goal is to evaluate the relevance of detailed chemistry kinetics on self-ignition and combustion processes of complex hydrocarbons. The evaluation is performed using questions from the combustion process development of modern diesel engines. This demand requires a model concept, which has a high computational time efficiency and fits into the given simulation environment for calculation of the direct injection of fuel, the mixture formation, the self-ignition, the combustion and pollutant formation.
... mehr
One main goal of the thesis is to improve the prediction of the kinetic-controlled premixed- and partly homogeneous combustion, which becomes more relevant for instance at low oxygen combustion processes that reduce the formation of nitrogen oxides. Therefore the exact information of the reaction rates is significant. In this work a progress variable approach is extended and integrated into the CFD-solver StarCD to determine the reaction rates. A modelling concept is introduced, which is divided into three parts: the homogeneous reactor calculations, the tabulation of the solutions and the interface to the 3D-CFD-solver.
The validation of each sub-model of the simulation chain is performed using measurements of a high pressure / high temperature chamber of burning diesel spray jets. The application of the modelling concept for engine-related questions is analyzed and evaluated by 3D-CFD-simulations of several operation points, where the high pressure cycle processes of a passenger car engine with multiple injections and a commercial vehicle heavy duty engine with high-egr-combustion are investigated. Therefore measured pressure traces and combustion rates as well as integral measurement data are compared to the simulation results.