Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist eines der wichtigsten Ziele bei der Entwicklung von neuen Ottomotoren. Es existieren unterschiedliche Konzepte, mit denen das Grundproblem dieser Motoren, die Drosselverluste im Teillastbetrieb, reduziert werden können. Alle diese modernen Verfahren bergen neue Herausforderungen für die numerische Simulation des Motorprozesses. Besonders für die Benzinselbstzündung sowie die Verknüpfung von Selbstzündung und Flammenfrontverbrennung existieren noch keine allgemeingültigen Modelle.
In dieser Arbeit wird ein Verbrennungsmodell vorgestellt, das einen Beitrag dazu leistet, diese Lücke in der Modellierung des Motorprozesses zu schließen. Das Modell umfasst Teilmodelle für reguläre Flammenfrontverbrennung sowie für homogene Selbstzündung.
Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Anwendungsbeispiele für das Verbrennungsmodell behandelt. Die reguläre Flammenfrontverbrennung wird anhand von gemessenen Zylinderdruckverläufen und Kameraaufnahmen validiert. Als Anwendungsbeispiel für das Selbstzündungsmodell wird die HCCI-Verbrennung untersucht. Zur Validierung werden hier die berechneten Zündorte mit einer optisch ermittelten Zündortverteilung verglichen. Neben diesen Fällen mit reiner Flammenfrontverbrennung und reiner Selbstzündung wird außerdem die Vorentflammung als komplexerer Anwendungsfall untersucht. Die Untersuchungen zu diesem Phänomen umfassen eine systematische Analyse der in Frage kommenden Auslösemechanismen sowie eine Bewertung dieser Mechanismen anhand von Messungen. Es wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich auf Grundlage des vorgestellten Verbrennungsmodells die Vorentflammungsneigung unterschiedlicher Motorkonzepte und Betriebsstrategien vergleichen lässt.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Die Arbeit behandelt die Erforschung der Ursachen für das Auftreten eines stochastischen Selbstzündungsphänomens bei aufgeladenen Ottomotoren - die sogenannte Vorentflammung. Als Folge des unkontrollierten, frühzeitigen Beginns der Wärmefreisetzung, noch vor der Funkenzündung, kann es zu einer Detonationsverbrennung mit exzessiven Spitzendrücken kommen, die zu kapitalen Motorschäden führen können. Die Ermittlung der Ursachen für die Entstehung der Vorentflammung sowie die Ausarbeitung von geeigneten Gegenmaßnahmen stellt deswegen einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von effizienten Antrieben dar.
Der Fokus der Untersuchungen in dieser Arbeit liegt auf Mechanismen, die eine Beteiligung von Schmieröltropfen in der Entstehung von Vorentflammungen beinhalten. In Experimenten am Motorenprüfstand werden Variationen verschiedener Betriebsparameter durchgeführt, die gezielt die Interaktion des Kraftstoffsprays mit dem Schmierölfilm an den Zylinderwänden beeinflussen. Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen werden Simulationsergebnisse der Kraftstoffeinspritzung gezeigt, die das Verständnis der physikalischen Effekte durch die unterschiedlichen Betriebseinstellungen ermöglichen. Ferner wird ein Verfahren zur gezielten synthetischen Nachbildung von einzelnen Vorentflammungen beschrieben. Mit dieser Methode können Vorentflammungsserien ausgelöst und systematisch untersucht werden. Der simultane Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht optische Aufnahmen von sogenannten Folgevorentflammungen in den ausgelösten Serien. Basierend auf den Erkenntnissen aus diesen Experimenten wird ein für das Auftreten von Vorentflammungsserien verantwortlicher Mechanismus aufgezeigt.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Aktualisiert: 2023-04-04
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Aktualisiert: 2023-04-01
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Dreidimensionale numerische Strömungssimulationen (3D-CFD Simulationen) ermöglichen eine detaillierte Analyse von unerwünschten Vorentflammungen in Ottomotoren. Eine wesentliche Herausforderung in 3D-CFD-Motorsimulationen ist die Modellierung des Kraftstoffes. Flüssigkraftstoffe wie Benzin oder Diesel bestehen aus einer Vielzahl verschiedenster Kohlenwasserstoffe. Eine exakte und gleichzeitig rechentechnisch effiziente Modellierung jeder einzelnen Kraftstoffkomponente in 3D-CFD ist aktuell nicht umsetzbar. Zur Repräsentation des Realkraftstoffes kommen daher Mehrkomponenten-Modellkraftstoffe zum Einsatz. Diese bestehen aus zwei bis zehn Einzelkomponenten.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Konzeptionierung, Validierung und Anwendung einer Simulationsmethode für ottomotorische Verbrennungsprozesse in 3D-CFD für Mehrkomponenten-Modellkraftstoffe. Kern der verwendeten Simulationsmethode ist eine Softwareschnittstelle zwischen dem numerischen Strömungslöser und einer Software zur Berechnung von Verbrennungsprozessen auf Basis detaillierter Chemie.
Die Validierung der Simulationsmethode erfolgt anhand von Druckkammeruntersuchungen und mittels einer Messkampagne an einem optisch zugänglichen Forschungsmotor. Mittels der eingeführten Simulationsmethode zur Verbrennungsmodellierung werden potentielle Auslösemechanismen für Vorentflammungen untersucht. Als wesentliche Auslöser wurden die inhomogene Verteilung von leicht- und schwersiedenden Kraftstoffkomponenten mit unterschiedlichen Zündwilligkeiten und Kraftstoff-Schmieröltropfen identifiziert und analysiert.
Aktualisiert: 2020-01-07
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Die Arbeit behandelt die Erforschung der Ursachen für das Auftreten eines stochastischen Selbstzündungsphänomens bei aufgeladenen Ottomotoren - die sogenannte Vorentflammung. Als Folge des unkontrollierten, frühzeitigen Beginns der Wärmefreisetzung, noch vor der Funkenzündung, kann es zu einer Detonationsverbrennung mit exzessiven Spitzendrücken kommen, die zu kapitalen Motorschäden führen können. Die Ermittlung der Ursachen für die Entstehung der Vorentflammung sowie die Ausarbeitung von geeigneten Gegenmaßnahmen stellt deswegen einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von effizienten Antrieben dar.
Der Fokus der Untersuchungen in dieser Arbeit liegt auf Mechanismen, die eine Beteiligung von Schmieröltropfen in der Entstehung von Vorentflammungen beinhalten. In Experimenten am Motorenprüfstand werden Variationen verschiedener Betriebsparameter durchgeführt, die gezielt die Interaktion des Kraftstoffsprays mit dem Schmierölfilm an den Zylinderwänden beeinflussen. Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen werden Simulationsergebnisse der Kraftstoffeinspritzung gezeigt, die das Verständnis der physikalischen Effekte durch die unterschiedlichen Betriebseinstellungen ermöglichen. Ferner wird ein Verfahren zur gezielten synthetischen Nachbildung von einzelnen Vorentflammungen beschrieben. Mit dieser Methode können Vorentflammungsserien ausgelöst und systematisch untersucht werden. Der simultane Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht optische Aufnahmen von sogenannten Folgevorentflammungen in den ausgelösten Serien. Basierend auf den Erkenntnissen aus diesen Experimenten wird ein für das Auftreten von Vorentflammungsserien verantwortlicher Mechanismus aufgezeigt.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist eines der wichtigsten Ziele bei der Entwicklung von neuen Ottomotoren. Es existieren unterschiedliche Konzepte, mit denen das Grundproblem dieser Motoren, die Drosselverluste im Teillastbetrieb, reduziert werden können. Alle diese modernen Verfahren bergen neue Herausforderungen für die numerische Simulation des Motorprozesses. Besonders für die Benzinselbstzündung sowie die Verknüpfung von Selbstzündung und Flammenfrontverbrennung existieren noch keine allgemeingültigen Modelle.
In dieser Arbeit wird ein Verbrennungsmodell vorgestellt, das einen Beitrag dazu leistet, diese Lücke in der Modellierung des Motorprozesses zu schließen. Das Modell umfasst Teilmodelle für reguläre Flammenfrontverbrennung sowie für homogene Selbstzündung.
Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Anwendungsbeispiele für das Verbrennungsmodell behandelt. Die reguläre Flammenfrontverbrennung wird anhand von gemessenen Zylinderdruckverläufen und Kameraaufnahmen validiert. Als Anwendungsbeispiel für das Selbstzündungsmodell wird die HCCI-Verbrennung untersucht. Zur Validierung werden hier die berechneten Zündorte mit einer optisch ermittelten Zündortverteilung verglichen. Neben diesen Fällen mit reiner Flammenfrontverbrennung und reiner Selbstzündung wird außerdem die Vorentflammung als komplexerer Anwendungsfall untersucht. Die Untersuchungen zu diesem Phänomen umfassen eine systematische Analyse der in Frage kommenden Auslösemechanismen sowie eine Bewertung dieser Mechanismen anhand von Messungen. Es wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich auf Grundlage des vorgestellten Verbrennungsmodells die Vorentflammungsneigung unterschiedlicher Motorkonzepte und Betriebsstrategien vergleichen lässt.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse des Phänomenes der Vorentflammung an einem hoch aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Die limitierende Wirkung der Vorentflammung auf den erreichbaren Downsizing-Grad bzw. den effektiven Mitteldruck führt zu dem Ziel dieser Arbeit, die Grenzen für das Auftreten der Selbstzündung in höhere Lastbereiche zu verschieben, ohne jedoch systemimmanente Nachteile im Kraftstoffverbrauch hinzunehmen. Zu diesem Zweck werden mit Hilfe von statistischen, thermodynamischen und optischen Methoden die Eigenschaften der Vorentflammung analysiert und erstmalig ein ganzheitliches Erklärungsmodell erarbeitet. Aus diesen Ergebnissen ergeben sich zwei mögliche Optimierungsansätze. Einerseits können die global im Brennraum vorherrschenden thermodynamischen Zustände und andererseits die lokalen Bedingungen optimiert werden. Diese Verbesserungsansätze zur Vermeidung von Vorentflammungen werden durch die Kombination von experimentellen Versuchen und numerischen Berechnungen auf ihre Sensitivität geprüft. Die aus den Untersuchungen erhaltenen Ergebnisse zeigen eindeutig, dass eine Verschiebung der Vorentflammungsgrenze für den vorliegenden Versuchsträger in höhere Lastbereiche durch beide Optimierungsansätze möglich ist.
Aktualisiert: 2019-12-30
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