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Large eddy simulation of in-cylinder phenomena in spark ignition engines

Janas, Peter

The motivation for this thesis is the development of a simulation tool that can deliver spatially- and time-resolved information to better understand the highly unsteady and irregular flow motion and combustion inside spark ignition engines. The key element of the method is that the large eddies are directly solved on the computational grid and the smaller structures are modelled, i.e. large eddy simulation (LES). High order numerical schemes for an accurate solution are applied, which are still not state-of-the-art for most of the industrially relevant problems. The simulation tool is integrated into an existing open source software and is successfully validated against Particle Image Velocimetry (PIV) and Magnetic Resonance Velocimetry (MRV) measurements of optically accessible research engines. A generic simulation workflow based on a mapping-strategy is proposed with a mesh-morphing strategy without topological changes in-between the mapping intervals. The simulation workflow includes an automated grid generation for complex engine geometries with inclined valves and the piston top-land crevice. It is applied to three different engine geometries. A criterion is established for estimating the number of cycles needed in a simulation, if experimental data is available. A visualization strategy is developed and an analysis for the tumble flow based on auto-correlation coefficients is proposed, which allows quantify- ing the tumble break-down process. The tumble visualization and quantification methods are used to study the sensitivity of the turbulent flow field based on cold-flow multi-cycle simulations of two different cylinder-head geometries. In a next step, the flow fields of the two different cylinder-head geometries are taken to study the flame propagation by a flame-surface-density modelling approach with different algebraic expressions for the flame wrinkling. Furthermore, fired multi-cycle simulations with internal exhaust gas recirculation are carried out and compared to Mie-scattering images of the flame propagation of the corresponding engine. Finally, undesirable combustion phenomena are studied, like the flame propagation into the piston top-land crevice, which is known as a source for unburnt hydrocarbons. The developed tool opens the door for high resolution simulations of internal combustion engines.

Ziel dieser Dissertation war die Erarbeitung eines Simulationsmodells, welches räumlich- und zeitaufgelöste Informationen in der Brennkammer eines Ottomotors zur Verfügung stellen kann. Dabei entstand ein Simulationswerkzeug, das in einer bereits vorhandenen, quellfreien Simulationssoftware integriert und erfolgreich mit diversen experimentellen Daten von optisch zugänglichen Motoren validiert werden konnte. Kernstück des Modells ist das direkte Auflösen der großskaligen Wirbel, sowie die gleichzeitige Modellierung kleinerer Wirbelstrukturen. Hierbei erfolgt die Modellierung unter Berücksichtigung der geforderten hohen Qualitätskriterien aus dem akademischen Bereich, wie bspw. die Nutzung von numerischen Diskretisierungsschemata höherer Ordnung. Die Simulationsergebnisse der Zylinderinnenströmung konnten erfolgreich mittels PIV (Particle Image Velocimetry) und MRV (Magnetic Resonance Velocimetry) Messungen an optischen Versuchsmotoren validiert werden. Um einen vollständigen Motorenzyklus zu simulieren, wurde ein generischer Simulations- Workflow entwickelt. Hierzu wird der Motorenzyklus in Teilintervale zerlegt. Innerhalb der Intervalle werden die Rechengitter abhängig von der Kolben- und Ventilbewegung verzerrt. Das hierheraus resultierende Simulationsergebnis wird für ein neues Intervall auf ein neues unverzerrtes Rechennetz interpoliert. Diese Vorgehensweise wird solange wiederholt bis der gesamte Zyklus beendet ist. Die Erstellung der Rechengitter für die einzelnen Teilintervalle erfolgt automatisiert. Mittels dieser Simulationsstrategie konnten drei unterschiedliche Zylinderkopfgeometrien mit Zündkerzen und Feuerstegen erfolgreich simuliert werden. Zur Quantifizierung des Tumblewirbelzerfalls wurde ein Kriterium basierend auf Autokorrelationsfunktionen des Strömungsfeldes erarbeitet. Zusätzlich wurde ein Kriterium für die erforderliche Anzahl der zu simulierenden Zyklen entwickelt. Mithilfe einer Visual- isierungsstrategie für den Tumblewirbel von nicht-reaktiven Mehrzyklen-Rechnungen konnten zwei unterschiedliche Zylinderkopfgeometrien im Detail analysiert werden. Im Weiteren erfolgte die Auswertung des Simulationsergebnisses respektive des Strömungsfeldes der zwei unterschiedlichen Zylinderkopfgeometrien. Hierzu wurde der Flame-Surface-Density (FSD) Ansatz unter Verwendung unterschiedlicher algebraischer Modelle zur Bestimmung der Flammenfaltung genutzt. Darüber hinaus wurden vollständige Mehrzyklen-Simulationen unter Berücksichtigung der inneren Abgasrückführung und des Restgasanteils aus den vorherigen Zyklen realisiert. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Mie- Streumessungen der Flammenausbreitung verglichen bzw. validiert. Abschließend erfolgte die Untersuchung der Flammenausbreitung in dem Feuersteg, welcher durch die ungewöhn- lich tief angeordneten Kolbenringe zu einem sehr großen Quetschspalt zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand führt. Diese geometrische Anordnung ist als eine der bekannten Ursachen für unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu sehen. Die Implementierung des Simulationswerkzeugs in eine quellfreie Simulationsumgebung ermöglicht die Berechnung von ottomotorischen Verbrennungsprozessen auf Großrechnerarchitekturen.

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Janas, Peter: Large eddy simulation of in-cylinder phenomena in spark ignition engines. 2017.

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