A Two-Dimensional Flamelet Model for Multiple Injections in Diesel Engines

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Beschreibung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erweiterung des Representative Interactive Flamelet (RIF) Modells zur Simulation von direkteinspritzenden Dieselmotoren auf mehr als einen Mischungsbruch, sodass Betriebspunkte mit Mehrfacheinspritzungen simuliert werden können. Das neue Modell wird angewendet, um die Zündmechanismen zu untersuchen, die bei Mehrfacheinspritzungen in Dieselmotoren auftreten können.Nach einer kurzen Einführung in die Thematik werden die Flameletgleichungen für nicht-vorgemischte Systeme behandelt. Zunächst werden die eindimensionalen Flameletgleichungen für einen Mischungsbruch betrachtet. Hierbei wird im Besonderen die skalare Dissipationsrate untersucht, für die eine neue Gleichung in Flameletkoordinaten hergeleitet wird. Anschließend wird ein zweiter Mischungsbruch eingeführt. Anhand einer asymptotischen Drei-Skalen Analyse werden zweidimensionale Flamelet-Gleichungen für die Temperatur und den Spezies-Massenbruch hergeleitet. Mit einer vergleichbaren Methode werden auch Gleichungen für die skalaren Dissipationsraten formuliert. Das RIF Modell koppelt die Flameletgleichungen mit den gemittelten turbulenten Gleichungen. Zuerst wird die Variante mit einem Mischungsbruch, die bisher für Einzeleinspritzungen verwendet wurde, beschrieben. Anschließend werden die notwendigen Erweiterungen für den zweiten Mischungsbruch erläutert und Unterschiede zum vorherigen Modell verdeutlicht. Anhand einer typischen Einspritzrate eines modernen Dieselmotors, die aus einer Pilot- und einer Haupteinspritzung besteht, werden die verschieden Phasen bei der Mehrfacheinspritzung identifiziert. Simulationsergebnisse unter Verwendung des neuen Modells werden mit experimentellen Daten für die Druckverläufe und die Schadstoffemissionen bei verschiedenen Betriebspunkten verglichen. Dabei werden Fälle mit Vor- und Haupteinspritzung bei unterschiedlichen zeitlichen Abständen zwischen den Einspritzungen untersucht. Insbesondere wird der Mechanismus, der zur Zündung der Haupteinspritzung führt, genauer betrachtet. Es wird gezeigt, dass — im Gegensatz zur Selbstzündung der Piloteinspritzung - die Haupteinspritzung durch direkten Wärme und Stofftransport gezündet wird. Zwischen den beiden Mischungsfeldern bildet sich eine gestreckte, vorgemischte Flamme mit sehr hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit aus. Für alle untersuchten Betriebspunkte ist die Übereinstimmung zwischen den experimentellen und simulierten Druckkurven gut. Die Unterschiede zwischen den gemessenen und berechneten Stickoxidemissionen sind kleiner als 15%. Ebenfalls gute Übereinstimmung wird für die Rußemissionen erzielt. Auf Basis der Ergebnisse und der Tatsache, dass die Flamme sich mit sehr hoher Geschwindigkeit ausbreitet, wird ein vereinfachtes Modell mit geringeren Hauptspeicher- und Rechenzeitanforderungen für die Zündung der zweiten Einspritzung formuliert. Vergleiche zwischen dem vereinfachten und dem vollständigen Modell zeigen, dass das vereinfachte Modell bei angepassten Randbedingungen vergleichbare Ergebnisse liefert. Es wird erläutert, wie diese Randbedingungen auf Basis einer Simulation mit dem vollständigen Modell für Parametervariationen bestimmt werden können.