Modellierung der Multikomponenten-Verdampfung im homogenisierten dieselmotorischen Brennverfahren

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Die Anforderungen an Verbrennungsmotoren sind hauptsächlich ein immer geringerer Kraftstoffverbrauch und letztendlich keine Schadstoffemissionen. Ein Schwerpunkt liegt hierbei in der Entwicklung neuer Brennverfahren, um die Entstehung von Schadstoffen bereits während der Verbrennung zu verhindern. In vorliegender Arbeit wird in diesem Zusammenhang das homogenisierte dieselmotorische Brennverfahren (HCCI) betrachtet. Neueste Forschungsarbeiten beschäftigen sich zudem mit einer Potenzialabschätzung bei Verwendung alternativer Brennstoffe.

Die CFD-Simulation bietet im Rahmen dieser Entwicklungsarbeiten die Möglichkeit, umfangreiche Kraftstoff- und Parametervariationen als Vorauslegung für experimentelle Untersuchungen durchzuführen. So können damit notwendige kostenintensive experimentelle Untersuchungen stark reduziert werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine möglichst genaue Modellierung der verwendeten Kraftstoffe, um die Vorgänge während der Verdampfung und Gemischbildung wiedergeben zu können. Darüber hinaus müssen für eine Modellierung der Zündung, Verbrennung und Schadstoffbildung aus dem Verdampfungsmodell entsprechende Eingangsgrößen vorliegen, um die Berechnung dieser Prozesse durchführen zu können.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein Multikomponenten-Verdampfungsmodell entwickelt, welches reale Kraftstoffgemische mittels zweier statistischer Verteilungsfunktionen beschreibt. Der gewählte Ansatz ermöglicht es somit, Kraftstoffbestandteile aus zwei verschiedenen Gruppen homologer Komponenten (Alkane und Aromaten) zu berücksichtigen. Dieses Modell wird in den CFD-Code KIVA-3V implementiert und mit Berechnungen zur Verdampfung von Einzeltropfen sowie durch Mie-Streulicht-Untersuchungen einfacher Einspritzvorgänge an einer schnellen Kompressionsmaschine validiert. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die Berechnung der Gemischbildung verschiedener Kraftstoffe mittels einer für das HCCI-Dieselbrennverfahren ausgelegten Einspritzstrategie.

Stichworte:
Verdampfung – Multikomponenten – CFD – Kontinuierliche Thermodynamik -
Homogenisierte Dieselverbrennung

Abstract

Two important requirements of combustion engines are minimal values of pollutant emissions and low fuel consumption. The main focus being the development of new combustion processes like the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) method to minimize the amount of pollutant emissions already during the combustion process. Additionally, in this context the potential of using synthetic fuels is also investigated. In this case the CFD-simulation offers the possibility of carrying out fuel and parameter variations, reducing cost intensive experimental studies. But an assumption for these calculations is a realistic modelling of the fuel mixtures being used. The fuel behaviour during evaporation and carburation must be described exactly. Furthermore, for modelling the following processes like ignition, combustion and emission formation, the right input parameters have to be present. Only under these boundary conditions can reasonable CFD-investigations be realised.

Therefore, within this project a multicomponent evaporation model was developed, which uses the statistically based approach of continuous thermodynamics to describe several fuel mixtures with distribution functions instead of describing them with a single component surrogate fuel. In the present model formulation the composition and the properties of fuels can be described with two different distribution functions in dependence of the molecular weight. This approach offers the possibility of considering two different homologous groups of hydrocarbons (alkanes and aromatics) contained in real fuels. The model was implemented into the CFD-code KIVA-3V and validated with single droplet calculations, Mie-Scatter- and Schlieren-investigations in a rapid compression machine. Finally, CFD-simulations with a multistage fuel injection strategie for the HCCI-combustion process are made to analyse the carburation behaviour of different fuel mixtures.

Keywords:
Evaporation – Multicomponent – CFD – continuous thermodynamics -
Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)