Simulation der Zylinderinnenströmung und Turbulenz für einen Ottomotor im Erdgasbetrieb mit Laserzündung

Abstract

Die Anwendung der Laserzündung ist bei Großgasmotoren mit Magerkonzepten eine attraktive Alternative, um stark überstöchiometrische Gemische sicher zu entflammen und niedrigste NOx-Emissionen sicherzustellen. Mittels einer variablen Fokussiereinrichtung kann der Zündort bzw. Brennpunkt entlang der Strahlachse im Brennraum frei positioniert werden. Dadurch kann die Zündung in Bereichen eingeleitet werden, in denen optimale Strömungs- bzw. Gemischverhältnisse vorliegen. Um diese Gebiete identifizieren zu können, müssen die komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Flamme, Strömung und Kraftstoffverteilung analysiert werden. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, durch den Vergleich von Simulationsergebnissen und den zugehörigen Messungen am Prüfstandsmotor bei unterschiedlichen Laser-Zündorten die Auswirkungen der Entflammungsbedingungen auf die Verbrennungsstabilität zu untersuchen.<br />Zu diesem Zweck wurde für einen mit Erdgas betriebenen Einzylinder-Forschungsmotor ein transientes 3D-CFD Modell erstellt. Die Untersuchung der Motor-Basis-Konfiguration wurde um eine Drall-Variante ergänzt, bei der sich durch unsymmetrisches Verschließen eines Einlasskanals eine erhöhte Ladungsbewegung bzw. Turbulenz einstellte.<br />Für beide Varianten wurden die Simulationsdaten der Zylinderladung entlang einer vertikalen und einer horizontalen Zündachse ausgewertet.<br />Gleichzeitig wurden unter den gleichen Randbedingungen Prüfstandsmessungen der Laufruhe durchgeführt, wobei der Laser-Zündort entlang der Zündachsen variiert wurde. Anhand der Laufruhe wurde der Grad der Verbrennungsstabilität bewertet. Die Korrelation der simulierten Feldgrößen (Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz, laminare Flammengeschwindigkeit) mit den Messungen wurde dabei eingehend diskutiert. Durch die Bildung einer dimensionslosen Kennzahl der Flammentheorie aus den Strömungs- und Gemischeigenschaften wurden die Wechselwirkungen zwischen den Feldgrößen in der Entflammungsphase berücksichtigt. Der Vergleich dieser Rechengröße mit der am Motorprüfstand gemessenen Laufruhe zeigte eine gute Übereinstimmung. Da sich die Messungen grundsätzlich im Bereich unkritischer Verbrennungsstabilität befanden, gab die Simulation darüber Auskunft, unter welchen Bedingungen eine stabile Verbrennung abgelaufen ist. Die analysierte Kennzahl verfügt daher über das Potential, auch ohne aufwendige Verbrennungssimulation auf die Laufruhe unter bestimmten Entflammungsbedingungen schließen zu können.<br />

The application of laser ignition in heavy-duty gas engines represents a promising alternative to ensure stable ignition and lowest NOx emissions for lean combustion concepts. Using a variable focusing device the focal point and the location of ignition respectively can be positioned freely along the laser beam axis in the combustion chamber.<br />Thus ignition can be initiated in regions of ideal flow and mixture conditions. To identify these regions the complex interaction between flame propagation, fluid flow and fuel distribution has to be analysed.<br />Hence the objective of this thesis was to analyse the effect of different inflammation conditions on the combustion stability via comparing simulation results with appropriate measurements from the engine test bench at different laser ignition positions. For this purpose a transient 3D CFD model of a natural gas operated single-cylinder research engine has been generated. The research work on the original engine configuration was complemented by an additional version with intensified charge motion and turbulence which was achieved by means of asymmetric sealing of one intake port. The simulation results for both versions have been analysed along a vertical and a horizontal ignition axis. At the same time the engine smoothness has been measured on the test bench under the same boundary conditions where the laser ignition position has been varied along the ignition axes. The smoothness provided information about the grade of combustion stability.<br />The correlation between simulated field sizes (flow velocity, turbulence and laminar flame velocity) and measuring data was thereby discussed in detail. Using a dimensionless identification number including flow and mixture characteristics the interaction between the field sizes during the inflammation phase has been considered. The comparison of this identification number and the measured data of engine smoothness showed a good correlation. As the measured results for combustion stability were basically noncritical, the simulation gave information about the conditions at which the stable combustion proceeded. Hence the analysed identification number has the potential to predict the engine smoothness on the basis of simulated inflammation conditions without an extensive combustion simulation.