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Phenomenological modelling of particulate emissions in direct injection spark ignition engines for driving cycle simulations

Frommater, Stefan :
Phenomenological modelling of particulate emissions in direct injection spark ignition engines for driving cycle simulations.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7570]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2018)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7570

Kurzbeschreibung (Abstract)

In order to achieve local air purity, particulate emissions from gasoline engines are meanwhile subject to statutory regulations. Due to the increasing complexity of the test procedures, away from standardized driving cycles to the point of real driving emissions, an almost infinite number of characteristics of the driving profile is possible. Simulation methods can help to reduce engine-out particle emissions by means of engine design and application, particularly at an early stage of development and by transferring the results to different variants. For this purpose, a new phenomenological simulation model is developed within this work that allows the determination of the particle raw emissions of gasoline engines based on physical principles. It is applicable both at stationary operating conditions and in transient driving cycles. Not only the particle number values are calculated, but also the particle mass and size distribution. This is achieved by the coupling of a 0D/1D engine process simulation, a new quasi-dimensional multi-zone model for the consideration of different soot particle formation causes and a stochastic soot model. Particle emissions from injector deposits, inhomogeneous gaseous mixture preparation and remaining fuel wall film are taken into consideration, as they contribute to the overall emissions by a different proportion. The applied gas-phase boundary conditions of the multi-zone structure are based on these formation processes. In zones that arise from inhomogeneous mixture preparation, the reaction of the air-fuel mixture under sub-stoichiometric conditions is calculated, whereas pyrolysis reactions are considered in zones with remaining liquid fuel film. The calculation of the remaining injector film mass considers film formation and evaporation. The formation of liquid wall films is calculated by the coupling of a newly developed spray model, a spray-wall interaction model and an evaporation model. The - within the framework of this work developed - homogenization sub-model calculates the in-cylinder mixing process over time by considering charge motion, spray-charge interaction and mixing time, enabling the estimation of the statistical equivalence ratio distribution function. The creation of the final simulation framework is accompanied by an engine measurement program and additional 3D-CFD simulations to evaluate the different sub-models. Due to its physically based structure, the model can take into account changes in thermodynamic boundary conditions and engine actuator settings after an engine-specific calibration at a couple of selected operating points. The final simulation framework is successfully evaluated by test bench measurements of the engine operating map, a variation of engine actuator settings and transient driving profiles. Thereby, the model can be applied in the future engine development in order to further reduce engine-emitted soot particle emissions.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Frommater, Stefan
Titel: Phenomenological modelling of particulate emissions in direct injection spark ignition engines for driving cycle simulations
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

In order to achieve local air purity, particulate emissions from gasoline engines are meanwhile subject to statutory regulations. Due to the increasing complexity of the test procedures, away from standardized driving cycles to the point of real driving emissions, an almost infinite number of characteristics of the driving profile is possible. Simulation methods can help to reduce engine-out particle emissions by means of engine design and application, particularly at an early stage of development and by transferring the results to different variants. For this purpose, a new phenomenological simulation model is developed within this work that allows the determination of the particle raw emissions of gasoline engines based on physical principles. It is applicable both at stationary operating conditions and in transient driving cycles. Not only the particle number values are calculated, but also the particle mass and size distribution. This is achieved by the coupling of a 0D/1D engine process simulation, a new quasi-dimensional multi-zone model for the consideration of different soot particle formation causes and a stochastic soot model. Particle emissions from injector deposits, inhomogeneous gaseous mixture preparation and remaining fuel wall film are taken into consideration, as they contribute to the overall emissions by a different proportion. The applied gas-phase boundary conditions of the multi-zone structure are based on these formation processes. In zones that arise from inhomogeneous mixture preparation, the reaction of the air-fuel mixture under sub-stoichiometric conditions is calculated, whereas pyrolysis reactions are considered in zones with remaining liquid fuel film. The calculation of the remaining injector film mass considers film formation and evaporation. The formation of liquid wall films is calculated by the coupling of a newly developed spray model, a spray-wall interaction model and an evaporation model. The - within the framework of this work developed - homogenization sub-model calculates the in-cylinder mixing process over time by considering charge motion, spray-charge interaction and mixing time, enabling the estimation of the statistical equivalence ratio distribution function. The creation of the final simulation framework is accompanied by an engine measurement program and additional 3D-CFD simulations to evaluate the different sub-models. Due to its physically based structure, the model can take into account changes in thermodynamic boundary conditions and engine actuator settings after an engine-specific calibration at a couple of selected operating points. The final simulation framework is successfully evaluated by test bench measurements of the engine operating map, a variation of engine actuator settings and transient driving profiles. Thereby, the model can be applied in the future engine development in order to further reduce engine-emitted soot particle emissions.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme (STFS)
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantrieben (VKM)
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantrieben (VKM) > Methodik
Hinterlegungsdatum: 12 Aug 2018 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7570
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75707
Gutachter / Prüfer: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Beidl, Prof. Dr. Christian
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 Juni 2018
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Zur Erhaltung der lokalen Luftreinheit sind Partikelemissionen auch bei Ottomotoren zunehmend Teil der gesetzlichen Regulierung von Abgasemissionen. Durch die steigende Komplexität der Testverfahren - von standardisierten Fahrzyklen hin zu Emissionen realer Straßenfahrten - entwickelt sich eine nahezu unbegrenzte Anzahl von möglichen Fahrfällen und Streckenkombinationen. Simulationsmethoden können bereits früh im Entwicklungsprozess bei der Reduktion von Partikelrohemissionen unterstützen, etwa durch Optimierung von Konstruktion und Motorapplikation sowie durch Bewertung verschiedener Motorzustände und Fahrfälle. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neues phänomenologisches Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Partikelrohemissionen von Ottomotoren basierend auf physikalischen Grundprinzipien berechnet werden. Das Modell ist sowohl für quasi-stationäre Motorbetriebspunkte als auch für transiente Fahrprofile anwendbar. Zusätzlich zu den Partikelanzahlemissionen sind auch Partikelmasse und -größenverteilung bestimmbar. Dies erfolgt durch die Kopplung einer 0D/1D Motorprozesssimulation mit einem neuentwickelten quasi-dimensionalen Mehrzonenmodell, welches wesentliche innermotorische Rußpartikelquellen berücksichtigt, und einem stochastischen Rußmodell. Es werden Partikelemissionen von Kraftstoffablagerungen am Injektor, inhomogener Gemischaufbereitung und verbleibendem Kraftstofffilm an den Brennraumwänden berücksichtigt, da diese, abhängig vom Betriebszustand, einen variablen Anteil an den Gesamtemissionen aufweisen. Die im Mehrzonenmodell aufgeprägten Randbedingungen der Gasphasenkinetik basieren auf diesen Entstehungsorten. In Zonen mit unzureichender Gemischhomogenisierung erfolgt die Berechnung einer Reaktion des Kraftstoff-Luft Gemisches bei unterstöchiometrischen Bedingungen, während in Zonen mit verbleibendem Kraftstofffilm Pyrolysereaktionen betrachtet werden. Die Bestimmung der verbleibenden Kraftstoffmasse bezieht Filmbildung und -verdampfung ein. Die Berechnung von Kraftstofffilmen an den Brennraumwänden erfolgt durch die Kopplung eines neu entwickelten Spraymodells mit Modellen zur Spray-Wand Interaktion und Filmverdampfung. Das Homogenisierungsmodell berechnet zeitlich aufgelöst den Gemischbildungsprozess im Brennraum unter Berücksichtigung von Ladungsbewegung, Spray-Gemisch Interaktion und Mischungszeit und ermöglicht die Bestimmung der statistischen Verteilung des Verbrennungsluftverhältnisses. Die Entwicklung der Simulationsmethodik wird begleitet von Motorprüfstandsmessungen und 3D-CFD Simulationen zur Parametrierung und Evaluation der einzelnen Submodelle. Aufgrund der physikalisch basierten Struktur ist das Modell nach einer motorspezifischen Parametrierung an einigen ausgewählten Betriebspunkten in der Lage, Änderungen von thermodynamischen Randbedingungen und der Aktuatorik zu berücksichtigen. Die Evaluation der finalen Simulationsumgebung erfolgt mittels Messungen des Motorkennfeldes, einer Variation verschiedener Motorapplikationseinstellungen und thermischer Randbedingungen sowie transienten Fahrprofilen. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit wird eine Anwendung der Simulationsmethodik bei Motorentwicklungen zur weiteren Verringerung der Partikelrohemissionen ermöglicht.Deutsch
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