Impact of different spray patterns on mixture-preparation and pre-ignition tendency of a direct-injection gasoline engine

Abstract

Recent developments in engine production focus on downsizing strategies in order to meet ecological restrictions while improving efficiency. However, abnormal combustion phenomena limit further improvements since premature ignitions, which occur at higher engine torque and lower engine speed, initiate severe knock in the subsequent combustion. In order to get to the root of the problem, investigations on this topic revealed that lubrication oil mixed with fuel increases auto-ignition of the mixture and hence causes pre-ignitions, if oil-fuel mixture droplets enter the combustion chamber and heat up. Therefore, the main problem is that mixing of lubrication oil and fuel can take place in liquid film accumulations. Within this thesis, the pre-ignition tendency of a direct injection gasoline engine is explored and investigated in detail conducting numerical simulations. Since the injection process has proven to have a huge impact on mixture preparation, droplet disintegration models for primary and secondary break-up are investigated with special attention for the validation of the numerical injection set-up against measurement data. A multicomponent fuel model is applied in order to represent the boiling behaviour of real gasoline as realistic as possible. By comparing two different injector types, the injection process and wall-film formations are investigated with regard to possible mixing of fuel and oil. Liquid film accumulations at the cylinder walls and in the piston crevice are identified and investigated for each injector type. Detailed investigations on mixture preparation and charge motion revealed that steep into the cylinder orientated injector axes are advantageous. Improvements in mixture preparation and a minimised mixing with oil is observed. Results show that the numerical prediction of wall-film structure can be correlated to test-bench observations. Therefore, the gained factors contribute to a better understanding and hence to avoid pre-ignitions.

Gegenwärtig werden Downsizing Strategien in der Motorenentwicklung verfolgt, um ökologischen Standards bei gesteigertem Wirkungsgrad nachzukommen. Jedoch limitieren Verbrennungsanomalien die weitere Effizienzsteigerung, da bei hohen Lasten und moderaten Drehzahlen Vorentflammungen eine stark klopfende Verbrennung verursachen. Forschungsarbeiten zu diesem Phänomen konnten abgelöste Öl-Kraftstoff Tropfen, welche die Zündwilligkeit des Gemisches erhöhen, als wahrscheinlichste Ursache für Vorentflammungen identifizieren. Die Vermischung von Öl und Kraftstoff in Wandfilmansammlungen stellt somit das Hauptproblem dar. Im Zuge dieser Arbeit werden mittels numerischer Simulation diese Wandfil- mansammlungen an einem direkteinspritzenden Ottomotor im Detail untersucht. Da der Einspritzvorgang großen Einfluss auf die Gemischbildung hat, wird der Tropfenzerfall mittels Primär und Sekundäraufbruchsmodelle untersucht. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Validierung der Tropfenaufbruchmodelle gegen Meßdaten gelegt. Das korrekte Siedeverhalten von Benzin wird mit einem Mehrkomponenten Kraftstoffmodell abgebildet, welches in der Lage ist schwerflüchtige Komponenten zu berücksichtigen. Anhand eines Vergleichs zweier Injektortypen wird der Einspritzvorgang, sowie die Wandfilmformationen auf die potentielle Vermischung mit Öl hin verglichen. Flüssigfilm Ansammelungen insbesondere an den Zylinderwänden und im Kolbenspalt werden für jede Injektorausführung identifiziert. Die Untersuchungen zu den Auswirkungen auf Gemischbildung und Ladungsbewegung zeigen, dass steil in den Zylinder weisende Injektorachsen vorteilhaft sind. Es verbessert sich sowohl die Gemischbildung und es minimiert sich die Vermischung mit Öl. Es zeigt sich, dass der mittels Simulation erhaltene Wandfilm mit entsprechenden Beobachtungen auf dem Prüfstand korreliert. Die gewonnen Faktoren leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis und daher zur Vermeidung von Vorentflammung.