Numerische Analyse der Zündung und der turbulenten Flammenausbreitung in Diesel-Gas Dual-Fuel-Motoren

Abstract

Im Bereich der Großmotoren stellt die Dual-Fuel-Verbrennung eine interessante Alternative zu konventionellen Dieselmotoren dar, da diese eine Reduktion der Stickoxid- ,CO2- und Ruß-Emissionen ermöglicht. Hierbei wird eine kleine Menge Dieselkraftstoff eingespritzt, um ein mageres Erdgas-Luft-Gemisch zu entflammen. Der Verbrennungsprozess ist durch das Vorhandensein von Selbstzündung, diffusiver und vorgemischter Verbrennung gekennzeichnet. Das zusätzliche Auftreten irregulärer Verbrennungsphänomene und zyklischer Schwankungen führt zu einer hohen Komplexität des Brennverfahrens. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfassende numerische Strömungssimulationen durchgeführt, um einen detaillierteren Einblick in den Ablauf des Brennverfahrens zu erhalten. Die Piloteinspritzung stellt für die Modellierung eine große Herausforderung dar, da der Injektor durch kurze Einspritzvorgänge in den ballistischen Betriebsbereich gezwungen wird,welcher durch stark transiente Bedingungen am Düsenaustritt gekennzeichnet ist. In dieser Arbeit wurde ein Ansatz zur Impulserhaltung entlang der Strahlachse angewendet, um die Startbedingungen am Düsenaustritt auf Basis optischer Messdaten zu errechnen. Mit dieser Methodik konnte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Eindringtiefen der Dampf- und der Flüssigphase erzielt werden. Das Modell erfasst hierbei die Effekte des Umgebungsdruckes sowie der Umgebungstemperatur auf die Impulsausbreitung im Strahl und liefert einen neuen Ansatz zur Modellierung der Piloteinspritzung. Zur Simulation der Strahlzündung wurde detaillierte Reaktionschemie eingesetzt, wobei die experimentell beobachteten Zündorte und die Flammenausbreitung korrekt abgebildet werden konnten. Des Weiteren konnte eine Verlängerung der Zündverzugszeit durch die Anwesenheit von Erdgasmodell technisch abgebildet werden. Ausgehend von diesen Untersuchungen, wurde ein Flammenfortschrittsmodell adaptiert, um mehrere Motorzyklen mittels Large Eddy Simulation zu berechnen. Hierbei war es möglich die Verbrennung für unterschiedliche energetische Dieselanteile korrekt zu beschreiben. Dabei konnte ein hoher Beitrag des Brenngases zur Wärmefreisetzung bereits zu Beginn der Verbrennung festgestellt werden. Des Weiteren zeigte eine Analyse der turbulenten Verbrennungsregime, dass Turbulenz-Chemie-Interaktion nur während der Zündung zum Tragen kommt. In der nachfolgenden Gasverbrennung konnte nur ein Eindringen der kleinsten Wirbel in die Vorwärmzone und somit ein Einfluss auf den Stoff- und Wärmetransport in der Flammefest gestellt werden. Die Interaktion der turbulenten Wirbel mit der Flammenfront konnte zusätzlich zur Zündung der Pilotstrahlen als Quelle zyklischer Schwankungen ausgemacht werden. Es konnte ebenso eine Korrelation des Spitzendruckes mit den Geschwindigkeitsschwankungen in Zylinderachse nachgewiesen werden, wodurch die Quetschströmung als wichtige Quelle für die Fluktuationen in den Fokus rückt. Die vorliegende Arbeit trägt durch detaillierte Analysen der Verbrennung zum Verständnis des Dual-Fuel-Brennverfahrens bei und liefert wichtige Informationen für die Entwicklung zukünftiger Verbrennungsmodelle.

Dual fuel combustion depicts an interesting alternative to conventional diesel engines in the field of large engines to reduce the emissions of carbon dioxide, nitrogen oxide and soot. Thereby, a small amount of diesel fuel is injected to ignite a lean natural gas-air mixture.The combustion process is characterized by autoignition, diffusive and premixed combustion. In addition, the occurrence of irregular combustion phenomena and cycle-to-cycle variations determine the high complexity of this process. In this work, detailed numerical simulations were carried out to get a deeper insight into the ongoing processes during combustion.The modeling of the pilot injection is challenging since the injector is forced into the ballistic working regime by short injection events. This regime is characterized by strongly transientconditions at the nozzle exit. This work uses an approach of momentum conservation alongthe spray axis to derive the initial conditions at the nozzle exit from optical measurements.Utilizing this methodology a good agreement between the simulated and measured penetrationof the liquid and the vapor phase could be achieved. The model captures the effect of theambient pressure and temperature on the momentum propagation and delivers a new approachto model pilot injection. Detailed reaction chemistry was applied to model the ignition of thespray and enabled a correct description of the experimentally observed locations of the firstflame structures and flame propagation. Further on, the model could depict a prolongation ofthe ignition delay time in the presence of natural gas.Based on these investigations, a flame propagation model was adapted to model severalconsecutive engine cycles using large eddy simulation. Thereby, the combustion could becorrectly described for various energetic diesel shares. A high contribution of the natural gasto the heat release at the beginning of the combustion could be found. An analysis of theturbulent combustion regimes showed that turbulence chemistry interaction is only presentduring the ignition process. During the subsequent gas combustion a penetration of thesmallest eddies into the preheat zone influencing the species and heat transport inside theflame front could be found. In addition to the ignition of the pilot jets, the interaction ofthe turbulent eddies with the flame front could be determined as a source for cycle-to-cyclevariations. A correlation of the peak pressure with the velocity fluctuations in the directionof the cylinder axis could be found, which puts the squish flow as a source for cycle-to-cyclevariations into focus. The present work contributes to understanding the dual fuel combustionprocess utilizing a detailed analysis of the combustion. It delivers important information forthe development of future combustion models.