3-D CFD combustion and knocking prediction in pre-chamber gas engines

  • 3-D CFD Verbrennung und Klopfvorhersage in Vorkammergasmotoren

Dhongde, Avnish Jagdeesh; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Pitsch, Heinz (Thesis advisor)

Aachen (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurden einfache, schnell ablaufende 3-D-CFD-Modelle für die Auslegung von modernen Vorkammer(VK)-Erdgasmotoren entwickelt und anhand von Experimenten an einem Einzylinder-Forschungsmotor validiert. Das Charge Motion Design (CMD)-Verfahren zur Vorhersage der Verbrennungsdauer ohne Verbrennungsmodell wurde anhand von Messungen von zwei Motoren für die Verbrennungsdauer kalibriert. Die 3-D-CFD-Gasaustauschsimulationen wurden durchgeführt, um die Spülung und die Gemischbildung unter Berücksichtigung der Form der VK zu berechnen. Ein vorgeschriebenes Wärmefreisetzungs-Verbrennungsmodell, das die 3-D-Flammenfrontausbreitung für eine gegebene Eingabe der Wärmefreisetzungsrate ohne jegliche Kalibrierung berechnen kann, wurde in dieser Arbeit verwendet. Drei repräsentative Zyklen aus den Messungen wurden simuliert, um zyklische Schwankungen zu berücksichtigen. Der Wärmeübergang aus den Simulationen korrelierte gut mit den Thermoelementmessungen im PC-Körper. Ein Ein-Skalar NOx-Modell, das auf tabellierten Daten basiert, wurde programmiert und gegen Messungen validiert. Ein 3 D-CFD-Selbstzündungsmodell wurde auf Basis des vereinfachten Klopfintegralansatzes mit Abhängigkeit von Druck, Temperatur, Gleichgewichtsverhältnis und Restgasgehalt entwickelt. Die Konstanten des Integrals wurden auf den detaillierten chemischen Mechanismus von Saudi Aramco 2.0 kalibriert. Die Simulation konnte den Klopfbeginn vorhersagen und zeigte eine Korrelation zur Klopfintensität. Um die Ergebnisse der Brenndauer-Vorhersage aus dem CMD-Prozess auf das nicht-prädiktive Verbrennungsmodell zu übertragen, wurde eine Methode zur Erzeugung der Wärmefreisetzungskurven und zur Bestimmung der Zyklus-zu-Zyklus-Variationen auf Basis einer statistischen Analyse entwickelt.

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