Reaktionskinetische Analyse der klopfenden Verbrennung an einem aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung

Abstract

Weltweit steigt in vielen Bereichen des täglichen Lebens der Energiebedarf, so auch der des privaten Personenverkehrs. Da der Automobilsektor als Hauptenergiequelle Rohöl verwendet, führt dies zwangsläufig zu einem Engpass bei der Verfügbarkeit von fossilen Energieträgern. Dadurch muss die Effizienz der Motoren gesteigert werden, wodurch in den letzten Jahren das sogenannte Downsizing beim Ottomotor durchgeführt wurde. Infolge der hohen Mitteldrücke steigt die Gefahr der klopfenden Verbrennung, was speziell bei hohen Lasten zu Problemen führt und eine weitere Verbrauchsreduzierung verhindert. Es besteht daher großer Bedarf, die Selbstzündung des Endgases zu erforschen, um ihre Entstehungsmechanismen besser zu verstehen und mittels Simulation abzubilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb verschiedene Berechnungsmethoden kombiniert und mit Messdaten validiert, um die physikalischen Vorgänge, die die klopfende Verbrennung beeinflussen, abzubilden:<br />Da der Ottomotor zyklische Schwankungen aufweist, war es notwendig deren Einfluss auf das Klopfverhalten zu bewerten. Dies wurde mithilfe der Prozesssimulation durchgeführt. Danach wurden dreidimensionale CFD-Simulationen der Zylinderinnenströmung und Gemischbildung durchgeführt, um die räumliche Verteilung von Kraftstoff, Temperatur und Restgas zu erfassen. Dreidimensionale Verbrennungsrechnungen brachten zusätzliche Erkenntnisse über die Flammenausbreitung im Brennraum und den thermischen Zustand des Endgases. Aufbauend auf den Ergebnissen der Ladungswechsel- und CFD-Simulationen konnten die Anfangs- und Randbedingungen eines stochastischen Reaktormodelles definiert werden, bei dem die Inhomogenität des Temperaturfeldes und der Zylinderzusammensetzung durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen berücksichtigt werden. Im stochastischen Reaktor konnte so die Niedertemperaturoxidation, die das Selbstentzünden des Endgases einleitet, mittels semidetaillierter Reaktionskinetik simuliert werden. Als Reaktionsmechanismus wurde der von Andrae, et al. entwickelte Toluol-Referenz-Mechanismus verwendet.<br />Dadurch konnten die chemischen Reaktionsabläufe und -pfade der Selbstzündung im Endgas ausgewertet werden. Es wurden verschiedene Betriebspunkte mit unterschiedlicher Drehzahl, Last und AGR-Rate untersucht, um so die Einflüsse von Restgas, Flammenausbreitung, Temperaturverteilung und Turbulenz auf die irreguläre Verbrennung zu analysieren und bewerten. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass speziell die inhomogene Temperaturverteilung im Zylinder und die zyklischen Schwankungen des Brennverzugs einen großen Einfluss auf die klopfende Verbrennung haben.<br />Durch eine entsprechende Anpassung dieser Faktoren ist das stochastische Reaktormodell in der Lage, die klopfende Verbrennung korrekt zu berechnen. Damit kann diese Berechnungsmethodik beispielsweise bei der numerischen Optimierung des Ottomotors eingesetzt werden um den Motorwirkungsgrad weiter zu steigern.<br />

For highly boosted gasoline engines with direct injection (DI) the operating conditions with lowest fuel consumption are restricted by irregular combustion like knocking. Therefore, the initiation mechanism for knocking was the subject of this master thesis.<br />A turbocharged DI test engine was set up at the institute's test bench.<br />Experimental data for two operating points with different engine speed at the knock limit (2-3 knock events per 100 cycles) were the basis of the numerical investigations. A 1D multi-cycle three-pressure-analysis was applied to investigate the cycle-to-cycle variations. Especially the variations of characteristic combustion parameters were statistically evaluated. Additionally, CFD-simulations were carried out to obtain the spatial in cylinder distribution of temperature and charge composition.<br />The results showed that the temperature distribution in the cylinder at FTDC varies between the two operating points and depends mainly on the spray penetration into the cylinder and the charge motion. These results served to set up a stochastic reactor model, in which the inhomogeneities of the in-cylinder charge are considered with probability density functions. The chemistry of the ignition was modelled with a detailed chemical kinetic model of a Toluene Reference Fuel from Andrae, et al. With this method, the autoignition under engine relevant conditions was calculated.<br />The results of the multi-cycle three-pressure-analysis showed that important mean charge properties such as the charge mass or the composition were within a narrow range over all cycles after IVC.<br />Furthermore, it could be shown for both operating points that the duration until 2 % MFB, i.e. the very first combustion phase, determines whether the cycle shows autoignition. All cycles with an accelerated early flame development showed an irregular heat release later on during the combustion phase. A detailed modelling of this behaviour was carried out with the stochastic reactor model. It was possible to calculate the autoignition timing with high accuracy to the measurements. The formation of typical intermediate species during the autoignition could be identified and the reaction progress could be evaluated.<br />This thesis focused on the detailed reconstruction of measured knocking cycles with reaction kinetics. Considering the effect of temperature inhomogeneities and flame propagation on knock initiation in a stochastic reactor model is thereby a new and innovative approach.