Numerical investigations on the two-phase ignition hypothesis triggering low-speed pre-ignitions in boosted SI engines

Abstract

Der Bereich der Antriebssysteme für PKW-Anwendungen unterliegt aktuell einem ständigen Wandel, jedoch besteht auch in der nahen Zukunft weiterhin der Bedarf an effizienten, sauberen and leistungsstarken Verbrennungskraftmaschinen. Bei Ottomotoren ist das Konzept des Downsizing und Downspeeding ein erfolgsversprechender Ansatz zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und des Motordrehmoments bei gleichzeitiger Erfüllung der Emissionsziele. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass das stochastische Auftreten von Frühzündungen (LSPI) die erreichbaren Zylinderdrücke im transienten sowie im stationären Motorbetrieb begrenzen. Die eigentliche Ursache dieses Phänomens ist noch nicht geklärt. Basierend auf optischen Beobachtungen innerhalb der Brennkammer legt die Literatur nahe, dass es sich höchstwahrscheinlich um ein Zwei-Phasen-Phänomen handelt. Über den Initiator selbst gibt es unterschiedliche Hypothesen, die entweder abgelöste Öltropfen oder feste Partikel als Ursache in Betracht ziehen. Diese Arbeit umfasst daher eine systematische numerische Untersuchung der gesamten LSPI auslösenden Prozesskette, unter Berücksichtigung flüssiger und fester Zündquellen. Die physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb des Brennraums wurden mithilfe von 2D- und 3D-CFD Simulationen, unter zusätzlicher Einbindung reaktionskinetischer Modelle, analysiert. Weiters wird die Entwicklung der numerischen Modelle durch experimentell gewonnene Daten unterstützt.Zur Bestimmung der thermodynamischen Verhältnisse im Brennraum wurde ein 3D-CFD-Motormodell erstellt. Um die physikalische Wechselwirkung des Kraftstoffsprays mit den Zylinderwänden sowie die Verdampfung und Verteilung des Gemisches zu berücksichtigen, wurde ein 11-Komponenten-Kraftstoff-Ersatzmodell eingeführt. Die Auswahl der Komponenten basierten auf einem validierten 0D Destillationsmodell. Der Tröpfchenaufprall und die Filmbildung wurden anhand optischer Prüfstandsmessungen validiert, die an der Universität KIT durchgeführt wurden. Die Untersuchung der Gemischbildung zeigte eine Korrelation zwischen der Bildung von Kraftstofffilmen und dem Auftreten von LSPI. Insbesondere Ansammlungen von Kraftstoff nahe des Kolbenringspalts steigerten die beobachtbare Frequenz signifikant, was die Bedeutung des Schmieröls während der unterstöchiometrischen Verbrennung und daraus resultierenden Ablagerungsbildung unterstreicht.Basierend auf diesem Modell wurde das Zündrisiko von Öltröpfchen und festen Partikeln mit einem statistischen Zwei-Phasen-Freisetzungsansatz untersucht. Durch Auswerten der thermodynamischen Verläufe entlang möglicher Trajektorien durch den Brennraum wurde das Zündrisiko unter Verwendung von reaktionskinetischen Untermodellen berechnet. Bei Öltröpfchen wurde das Verdampfungsverhalten mit einem 4-Komponenten-Ersatzmodell basierend auf einer gaschromatographischen Analyse modelliert. Die chemische Reaktivität wurde anhand von n-Heptan modelliert. Während Öltropfen Zündprozesse durch reaktive Spezies beschleunigen, ist der Wärmeübergang bei heißen Partikeln der entscheidende Faktor. Daher können Partikel durch eine wärmeübertragende Oberfläche an ein reaktives Medium verallgemeinert werden. Die Reaktionskinetik des Kraftstoffes wurde in beiden Fällen durch ein TRF-Ersatzfluid, unter Einbeziehung von ROZ / MOZ Messungen, modelliert. Die numerische Analyse zeigte, dass eine öltröpfcheninduzierte Frühzündung unter den thermodynamischen Bedingungen von kleinvolumigen Ottomotoren in hochaufgeladenen Betriebspunkten als sehr unwahrscheinlich einzustufen ist. Im Fall von heißen Partikeln konnte eine minimale Grenztemperatur ermittelt werden. Eine detaillierte Analyse der thermodynamischen Einflussparameter zeigte Hinweise darauf, dass ein zündauslösendes Partikel selbst eine chemische Wärmefreisetzung ermöglichen könnte. Untersuchungen an inerten Partikeln haben gezeigt, dass nur reaktive Partikel durch exotherme Reaktionen die notwendige Oberflächentemperatur erreichen, um das umgebende Gemisch zu entzünden. Darüber hinaus reduziert der Ladungswechsel die Partikelanzahl mit jedem Arbeitsspiel signifikant. Folglich ist die Anzahl an vorkonditionierenden konventionellen Verbrennungszyklen begrenzt.Die vorgestellten Methoden und die validierten numerischen Modelle ermöglichen eine detaillierte Analyse des Phänomens der Zwei-Phasen induzierten Frühzündung (LSPI). Daher können diese Ergebnisse und Methoden im Entwicklungsprozess zukünftiger Ottomotoren zur Reduzierung der CO2 Emissionen einen Beitrag leisten.

Although there is an ongoing diversification in propulsion systems for passenger cars, there is still a need for efficient, clean, and powerful internal combustion engines in the near future. In the case of SI engines, the concept of downsizing and downspeeding is a successful approach to improve fuel efficiency and engine torque while fulfilling emission targets. However, investigations have shown that the stochastic occurrence of premature ignitions limits the achievable cylinder pressures during a transient as well as steady-state engine operation. The root cause of this phenomenon is not yet clarified. Based on optical observations inside the combustion chamber, the literature suggests that it is most likely a two-phase phenomenon. However, there are different hypotheses regarding the actual initiator, whether it is a detached oil droplet or a solid particle. This work comprises a systematic numerical study of the entire process chain leading to LSPI, considering liquid and solid ignition sources. Therefore, the physical and chemical processes inside the combustion chamber were analyzed using 2D & 3D-CFD simulation, including reaction kinetic models accompanied by experimental data. In order to determine the thermodynamic conditions inside the combustion chamber, a 3D-CFD engine model was established. To account for the physical interaction of the fuel spray with in-cylinder walls as well as the fuel evaporation and vapor distribution, an 11-component fuel surrogate model was introduced. The selection of the components was based on a validated 0D distillation model. The droplet impingement and film accumulation were validated against optical testbed measurements performed at the KIT University. The investigation of the mixture preparation revealed a correlation between the formation of liquid fuel puddles and LSPI occurrence. Especially, accumulations near the piston crevice significantly increased the observable frequency, indicating the importance of lubricating oil during sub-stoichiometric combustion resulting in deposit formation. Based on this model, the ignition risk of oil droplets and solid particles was investigated using a statistical object release approach. By post-processing the thermodynamic evolution along possible trajectories inside the combustion chamber, the ignition risk is calculated using reaction kinetic sub-models. In the case of oil droplets, the evaporation behavior is modeled using a 4-component surrogate based on a gas chromatography measurement. The chemical reactivity was modeled using the well-studied n-heptane chemistry. While oil droplets accelerate ignition processes by supplying reactive species, particles mainly induce ignition by heat transfer. Therefore, they were generalized by a hot surface transferring heat to a reactive ambient gas phase. The fuel reactivity was modeled in both cases using a TRF surrogate according to RON / MON measurements. The numerical analysis showed that oil droplet-induced pre-ignition is very unlikely considering the thermodynamic conditions of small-displacement SI engines in highly boosted operation points. In the case of solid particles, a minimum temperature threshold could be evaluated. Studies on inert particles have shown that only reactive particles reach the necessary temperature to ignite the mixture due to exothermic surface reactions. Furthermore, the reduction of particles due to the gas exchange limits the number of pre-heating conventional combustions. The presented methods and the validated numerical models enable a detailed analysis of the two-phase induced pre-ignition phenomenon. Therefore, these results and methods can be used in the development process of future SI-engines to reduce CO2 emissions.