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Untersuchung der Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen in einem Ottomotor mit Hilfe mehrdimensionaler Strömungsdiagnostik

Bode, Johannes (2018):
Untersuchung der Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen in einem Ottomotor mit Hilfe mehrdimensionaler Strömungsdiagnostik.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7311],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zu den Ursachen für Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen eines Ottomotors im Magerbetrieb. Durch Magerbrennverfahren kann der motorische Wirkungsgrad im Teillastbereich deutlich verbessert werden, was eine signifikante Minderung der CO2-Emissionen bewirkt. Allerdings sind Magerbrennverfahren besonders anfällig für Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen, woraus sich die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses für diese ergibt, um die Grenzpotentiale des Ottomotors auszunutzen. Dazu erfolgt eine systematische experimentelle Quantifizierung der Teilprozesse der innermotorischen Verbrennung, deren Wechselwirkungen durch Korrelationsanalysen identifiziert werden. Damit können jene Wirkmechanismen herausgearbeitet werden, die maßgeblich zur Entstehung der Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen beitragen. Im Fokus der Untersuchungen steht der dreidimensionale Charakter der innermotorischen Strömung, die mittels laserbasierter Diagnostikmethoden im Brennraum vermessen wird. Hierfür wird die Particle Image Velocimetry (PIV) in Kombination mit Laser-Scanning-Methode unter Verwendung eines Aukustooptischen Deflektors (AOD) gewählt, um erstmalig die instantanen großskaligen kohärenten Strukturen zeitlich und räumlich im Motor aufzulösen. Daneben werden der Einspritzstrahl, die Zündung, der Heizverlauf und die Rußrohemission messtechnisch erfasst. Als Versuchsträger dient ein optisch zugänglicher Einzylindermotor, dessen Geometrie von einem aktuellen Vollmotor abgeleitet wird. Dadurch sind die Ergebnisse der Arbeit in bestimmten Aspekten auf den motorischen Entwicklungsprozess übertragbar. Zunächst wird die AOD-Scanning-PIV anhand etablierter PIV-Methoden im Motor validiert. Nach erfolgreicher Validierung werden Experimenten an dem optisch zugänglichen Motor durchgeführt, um eine umfassende Datenbasis für die Untersuchungen zu schaffen. Dabei werden gezielt die Einlasssteuerzeiten und der Einlasskanalquerschnitt variiert, damit die Strömungen bei unterschiedlichen Einlassrandbedingungen verglichen werden können. Außerdem werden mit dem Schichtbrennverfahren und dem Homogen-Magerbrennverfahren zwei grundlegend verschiedene Verbrennungsprozesse behandelt. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Prozeduren entwickelt, um die großen Datenmengen effizient zu analysieren. Diese beruhen auf der Anwendung statistischer Methoden unter Einbezug des gesamten gemessenen Parameterraums. Auf dieser Grundlage können statistisch signifikante Wechselwirkungen der Prozesse abgeleitet werden. Die zeitliche Auflösung der Prozesse ermöglicht dabei eine Wirkkettenanalyse von der Verbrennung bis zurück zur Einlassphase unter Berücksichtigung der instantanen quasi-dreidimensionalen Strömung. Die Untersuchungen zeigen signifikante Wechselwirkungen zwischen charakteristischen Strömungsstrukturen und der motorischen Verbrennung. In einigen Zyklen werden durch erhöhte Tumblegeschwindigkeiten in den Außenbereichen des Zylinders Querströmungen induziert, die zu einer starken Aufwärtsströmung am Ende der Kompression im Bereich der Zündkerze und des Injektors führen. Im Schichtbetrieb bewirkt diese Strömung durch Strahl-Strömungs-Interaktionen eine ungünstige Brennstoffschichtung, die eine verlängerte Verbrennung mit niedriger Leistungs-abgabe und hohen Rußemissionen zur Folge hat. Dem gegenüber steht der Homogen-Magerbetrieb, bei dem durch die Aufwärtsströmung der Zündfunken in die Mitte des Brennraums getragen wird. Dies führt zu einer schnellen zentralen Entflammung und die Flammenfront kann sich homogen im Zylinder ausbreiten, wodurch die Umsatzrate des Brennstoffs beschleunigt wird. Insgesamt kann mit diesen Untersuchungen die hohe Relevanz der dreidimensionalen innermotorischen Strömung für die Verbrennung auf einem statistisch belastbaren Fundament nachgewiesen werden. Daraus ergibt sich ein erweitertes Verständnis für die Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen in einem Ottomotor.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Bode, Johannes
Title: Untersuchung der Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen in einem Ottomotor mit Hilfe mehrdimensionaler Strömungsdiagnostik
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zu den Ursachen für Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen eines Ottomotors im Magerbetrieb. Durch Magerbrennverfahren kann der motorische Wirkungsgrad im Teillastbereich deutlich verbessert werden, was eine signifikante Minderung der CO2-Emissionen bewirkt. Allerdings sind Magerbrennverfahren besonders anfällig für Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen, woraus sich die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses für diese ergibt, um die Grenzpotentiale des Ottomotors auszunutzen. Dazu erfolgt eine systematische experimentelle Quantifizierung der Teilprozesse der innermotorischen Verbrennung, deren Wechselwirkungen durch Korrelationsanalysen identifiziert werden. Damit können jene Wirkmechanismen herausgearbeitet werden, die maßgeblich zur Entstehung der Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen beitragen. Im Fokus der Untersuchungen steht der dreidimensionale Charakter der innermotorischen Strömung, die mittels laserbasierter Diagnostikmethoden im Brennraum vermessen wird. Hierfür wird die Particle Image Velocimetry (PIV) in Kombination mit Laser-Scanning-Methode unter Verwendung eines Aukustooptischen Deflektors (AOD) gewählt, um erstmalig die instantanen großskaligen kohärenten Strukturen zeitlich und räumlich im Motor aufzulösen. Daneben werden der Einspritzstrahl, die Zündung, der Heizverlauf und die Rußrohemission messtechnisch erfasst. Als Versuchsträger dient ein optisch zugänglicher Einzylindermotor, dessen Geometrie von einem aktuellen Vollmotor abgeleitet wird. Dadurch sind die Ergebnisse der Arbeit in bestimmten Aspekten auf den motorischen Entwicklungsprozess übertragbar. Zunächst wird die AOD-Scanning-PIV anhand etablierter PIV-Methoden im Motor validiert. Nach erfolgreicher Validierung werden Experimenten an dem optisch zugänglichen Motor durchgeführt, um eine umfassende Datenbasis für die Untersuchungen zu schaffen. Dabei werden gezielt die Einlasssteuerzeiten und der Einlasskanalquerschnitt variiert, damit die Strömungen bei unterschiedlichen Einlassrandbedingungen verglichen werden können. Außerdem werden mit dem Schichtbrennverfahren und dem Homogen-Magerbrennverfahren zwei grundlegend verschiedene Verbrennungsprozesse behandelt. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Prozeduren entwickelt, um die großen Datenmengen effizient zu analysieren. Diese beruhen auf der Anwendung statistischer Methoden unter Einbezug des gesamten gemessenen Parameterraums. Auf dieser Grundlage können statistisch signifikante Wechselwirkungen der Prozesse abgeleitet werden. Die zeitliche Auflösung der Prozesse ermöglicht dabei eine Wirkkettenanalyse von der Verbrennung bis zurück zur Einlassphase unter Berücksichtigung der instantanen quasi-dreidimensionalen Strömung. Die Untersuchungen zeigen signifikante Wechselwirkungen zwischen charakteristischen Strömungsstrukturen und der motorischen Verbrennung. In einigen Zyklen werden durch erhöhte Tumblegeschwindigkeiten in den Außenbereichen des Zylinders Querströmungen induziert, die zu einer starken Aufwärtsströmung am Ende der Kompression im Bereich der Zündkerze und des Injektors führen. Im Schichtbetrieb bewirkt diese Strömung durch Strahl-Strömungs-Interaktionen eine ungünstige Brennstoffschichtung, die eine verlängerte Verbrennung mit niedriger Leistungs-abgabe und hohen Rußemissionen zur Folge hat. Dem gegenüber steht der Homogen-Magerbetrieb, bei dem durch die Aufwärtsströmung der Zündfunken in die Mitte des Brennraums getragen wird. Dies führt zu einer schnellen zentralen Entflammung und die Flammenfront kann sich homogen im Zylinder ausbreiten, wodurch die Umsatzrate des Brennstoffs beschleunigt wird. Insgesamt kann mit diesen Untersuchungen die hohe Relevanz der dreidimensionalen innermotorischen Strömung für die Verbrennung auf einem statistisch belastbaren Fundament nachgewiesen werden. Daraus ergibt sich ein erweitertes Verständnis für die Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen in einem Ottomotor.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 03 Jun 2018 19:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7311
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73119
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Hasse, Prof. Dr. Christian
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 December 2017
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
This work comprises investigations on the origin of cycle to cycle variations (CCV) in a gasoline engine during lean combustion operation. Lean combustion strategies enable considerable improved efficiencies and hence reduced CO2 emissions. However, these strategies are prone to CCV which yields the need for a detailed understanding of CCV to utilize the potentials of gasoline engines. This is done by a systematic experimental quantification of the sub-processes of the internal combustion whose interactions are identified by correlation analyses. This reveals the mechanisms which are primarily responsible for CCV. The work is focused on the three dimensional nature of the in-cylinder flow which is measured with laser based diagnostic methods. For this purpose, particle image velocimetry (PIV) is combined with laser-scanning by means of an acousto-optic deflector (AOD) to resolve for the first time the instantaneous large scale flow structures in space and time. In addition to that, the injection, the ignition, the heat release and the soot raw-emissions are measured. The investigations are carried out on an optically accessible single-cylinder engine whose geometry is derived from a state of the art engine. Thus, certain results of this work can be transferred to the engine development process. The AOD-Scanning-PIV approach is validated at the engine with the help of well-established PIV methods. After successful validation, measurements are carried out at the optically accessible engine to generate a comprehensive database for the investigations. Within the measurements, the valve timing and the cross-section of the intake port are varied to compare the in-cylinder flow under different intake boundary conditions. Moreover, by utilizing the stratified combustion and homogeneous lean combustion two basically different combustion strategies are compared. In the consecutive phase of the work, evaluation procedures are developed for an efficient data mining. These are based on statistical methods by including the entire range of measured parameters. Then, statistically significant interactions between the processes can be derived through this procedure. The temporal resolution of the processes enables a backward analysis of causes and effects form combustion to the intake phase considering the instantaneous quasi three-dimensional flow field. The investigations reveal significant interactions between characteristic flow structures and the engine combustion. In some cycles, cross flows are induced by an increased tumble motion in the outer regions of the cylinder which yields a strong upward directed flow pointing towards the region of the spark plug and the injector. Through spray flow interactions, this flow causes an unfavorable fuel-air stratification which leads to a delayed and less effective combustion along with an increased soot emission. In contrast, the upward directed flow transports the spark towards the center of the cylinder during homogenous-lean combustion. This yields a rapid central ignition of the mixture and the flame front can propagated homogenously within the cylinder which accelerate the combustion. Overall, these investigations prove the high relevance of the three dimensional in-cylinder flow for the engine combustion on a statistically reliable fundament. This leads to an improved understanding of the cycle-to-cycle-variations in spark ignition engines.English
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