Modellierung der Dual-Fuel Verbrennung in einer Rapid Compression Expansion Machine mittels AVL FIRE

Abstract

Die Umweltpolitik nimmt heutzutage eine wesentliche Rolle in der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren ein. Wesentliche Einflussfaktoren sind die Limitierung von Schadstoffen und Treibhausgasen. Gleichzeitig sind seitens der Anwender der Verbrennungsmotoren geringe Betriebs- und Instandhaltungskosten gewünscht. Diese Einflussfaktoren treiben die Neu- und Weiterentwicklung von Brennverfahren voran. Das Dual-Fuel-Brennverfahren, bei dem ein Brenngas mit Hilfe einer Dieseleinspritzung gezündet wird, stellt einen interessanten Ansatz, speziell für Großmotoren, dar. Die Variation des energetischen Diesel-Erdgas-Verhältnisses stellt einen weiteren Parameter zur Optimierung der Betriebsstrategie dar. Versuche und numerische Strömungssimulationen (CFD-Simulation) ermöglichen den Verbrennungsprozess zu analysieren und in weiterer Folge zu optimieren. Die CFD-Simulation eignet sich dabei für genauere Analysen, die ansonsten nur mit einem entsprechend aufwendigen Messaufbau möglich wären. Im Rahmen eines Forschungsprojektes, bei dem sich das Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien als Projektpartner beteiligt, wird die Dual Fuel Verbrennung mit Hilfe von Versuchen und numerischen Strömungssimulationen untersucht. Hierbei wurden vom LTT Erlangen Versuche an einer optisch zugänglichen RCEM (Rapid Compression Expansion Machine) durchgeführt. In der RCEM wurden unterschiedliche homogene magere Brenngas Luft Gemische komprimiert und nahe dem oberen Totpunkt mittels einer Piloteinspritzung gezündet. Bei der Versuchsdurchführung wurden das energetische Diesel Brenngas-Verhältnis und der Einspritzzeitpunkt variiert, um deren Einfluss auf den Ablauf der Verbrennung zu untersuchen. Ein gläserner Kolbenmuldenboden ermöglichte die Erstellung von Aufnahmen der OH* Chemilumineszenzstrahlung und des Flammeneigenleuchten. Die Flammenausbreitung kann mit diesen Aufnahmen analysiert werden. Weiters wurde der Druckverlauf mit Hilfe eines Piezo-Drucksensors aufgezeichnet. Der Verbrennungsprozess der RCEM wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit mit dem CFD Programm AVL FIRE untersucht. Es wurde auf ein bereits vorhandenes CFD Rechennetz zurückgegriffen. Die Kinematik des Rechennetzes liegt gemessenen Wegverläufen der Diesel-Betriebspunkte mit reiner Luft als Hintergrundgas zugrunde. Die turbulente Strömung wurde mit dem k-zeta-f-Modell wiedergegeben. Der Dual Fuel Verbrennungsprozess der RCEM wurde mit dem, von der AVL List GmbH, neu entwickelten ECFM-Verbrennungsmodell modelliert und simuliert. Ein diskretes Tropfenmodell spiegelt den Einspritzvorgang des Dieselkraftstoffs wieder. Die Messungen dienen als Basis für die Kalibrierung und Validierung des Simulationsmodells. Mit dem Simulationsmodell könnte der Verbrennungsprozess des Versuchs im Bereich des oberen Totpunktes nachgebildet werden. Während der Expansionsphase treten Abweichungen der Kinematik, und somit Druckabweichungen, zwischen Messung und Simulation auf, da die Kinetik der RCEM nicht modelliert wurde. Die Simulation ermöglicht den Einfluss des energetischen Diesel Brenngas Verhältnisses auf den Verbrennungsprozess näher zu untersuchen. Unter anderem wurde eine unvollständige Verbrennung des mageren Hintergrundgases beobachtet. Aufgrund des geringen Brenngasanteils wird nur das von Dieselgemisch eingeschlossene Brenngas umgesetzt. Eine eigenständige Flammenausbreitung in das vorgemischte Brenngas-Luft-Gemisch konnte nicht beobachtet werden. Weiters konnte eine Zunahme des Zündverzuges mit steigender Brenngaskonzentration festgestellt werden.

Nowadays the environmental policy has a significant influence on the development of combustion engines. On the one hand the emission of pollutants and greenhouse gases are restricted, on the other hand the operator of the engine expects low costs in operation and maintenance. This pushes the further development of combustion processes. The dual fuel combustion is characterised by a burnable gas which is ignited by a diesel injection. The diesel share on total fuel energy is a further parameter to optimise the operating strategy of the combustion engine. Experimental and numerical investigations allow to analyse and optimise the combustion process. CFD simulation give an opportunity to research the combustion process without the requirement of a complex measurement setup. Within the framework of a research project, in which the Institute for Powertrains and Automotive Technology of the Vienna University of Technology operates as a project partner, several experimental und numerical investigations are carried out. At the LTT Erlangen dual fuel operations with a RCEM (Rapid Compression Expansion Machine) were performed. The combustion chamber of the RCEM was filled with a mixture of natural gas and air or with pure air. Near the top dead centre diesel is injected into the combustion chamber and thus the natural gas is ignited by the combustion of diesel. The RCEM was operated with different diesel shares on total fuel energy and with different fuel injection timings. During the experiment the cylinder pressure was measured. The OH-chemiluminescence and the visible light of the flame were observed through a piston bowl, which is made of glass. Within this thesis the simulation of the RCEM was carried out by using the commercial CFD software AVL FIRE. The numerical grid of an earlier work was used. The movement of the grid is based on a measured motion sequence of the operation points with pure air. The k-zeta-f model represents the turbulent fluid flow. For the combustion model a new developed ECFM model was used. The spray droplets were simulated by the discrete droplet method. The simulation model was calibrated and validated by the measurement data. The simulated combustion process reflects the measurement data during the movement at the top dead centre. During the expansion phase there are deviations between the simulation and the experiment because the simulation model cannot represent the kinetics of the RCEM. Due to the lean mixture of natural gas and air an incomplete combustion could be observed during the simulation of the combustion process. An increase of the ignition delay with increasing concentration of burning gas was detected.