Numerical Investigation of Spark Ignition Processes in Natural Gas Engines with the Advanced Spark Ignition Model

Die Zündung in einem Verbrennungsmotor ist ein komplexes physikalisches Phänomen, welches innerhalb weniger Millisekunden erfolgt aber das gesamte sich anschließende Verbrennungsverhalten beeinflusst. Ein detailliertes Verständnis dieses Prozesses kann mit Hilfe zündungsspezifischer Experimente und/oder detaillierter Modellierung innerhalb dreidimensionaler Strömungssimulationen gewonnen werden. Ein neuentwickelter Modellierungsansatz für den Zündprozess wurde während der 3 Internationalen IAV-Tagung “Zündsysteme für Ottomotoren” in 2016 erstmalig vorgestellt. Als Erweiterung zu der vorherigen Studie wird in der vorliegenden Veröffentlichung als Anwendungsfall für das neue Zündmodell ein monovalenter CNG-Motor mit Fremdzündung behandelt. ... mehrDer Motor basiert auf dem 4-Zylinder Volkswagen 2.0 Liter TDI R Dieselmotor, der nach einer Umrüstung mit einer homogenen Erdgas-Luft Mischung betrieben und das Gemisch mit einer Serien-Zündkerze gezündet wird. Im Rahmen des EU-Projektes GasOn (Projekt-Nr.: 652816, Horizon2020) wird der Motor
am Motorprüfstand bei unterschiedlichen vordefinierten Betriebspunkten gefahren. Im Vorfeld der Analyse der Zündung des Motors werden unterschiedliche detaillierte Reaktionsmechanismen für Erdgas betrachtet. Die Mechanismen werden hinsichtlich Zündverzug und laminarer Flammengeschwindigkeit evaluiert. Auf dieser Basis wird ein Mechanismus für die aktuelle Applikation ausgewählt. Dieser Mechanismus wird mit dem neuartigen Zündmodell gekoppelt, um den Zündprozess im Versuchsträger bei unterschiedlichen Betriebspunkten zu untersuchen. Für eine Lambda-Variation wird eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation erreicht.

Spark ignition in an internal combustion engine is a complex physical phenomenon, which takes place in a very short time of a few milliseconds but influences the whole succeeding combustion process. A detailed understanding of this process can be gained with the help of experiments focused on ignition or its detailed modelling in Three Dimensional Computational Fluid Dynamics (3D CFD) simulations. A novel modelling approach for spark ignition was presented during 3rd International IAV conference “Ignition Systems for Gasoline Engines” in 2016. In the extension of the previous study, the present publication focusses on the application of the new model for a monovalent CNG engine with induced ignition. ... mehrThis engine is based on the Volkswagen 4-Cylinder 2.0 litre TDI R Diesel engine converted to operate with homogeneously premixed natural gas air mixture ignited with a serial production spark plug. The engine is operated on the engine test bench at different predefined o perating p oints within t he EU f unded p roject GasOn ( project # 652816, Horizon2020). Prior to the spark ignition investigation of this engine, different detailed kinetic mechanisms for natural gas combustion are studied. These mechanisms are analysed for their behaviour in ignition delay and laminar flame s peed simulations. From this analysis, suitability of each mechanism for a specific application is derived. Based on this study a mechanism for the current application is chosen. This mechanism is then coupled with the advanced spark ignition model to analyse the spark ignition processes in the CNG engine at different operating points varying only in the relative air-fuel ratio. Good agreement is observed between the simulation
results and experimental data.