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Experimental Investigations of Near-Wall Processes in an Optically Accessible Spark-Ignition Engine

Schmidt, Marius (2024)
Experimental Investigations of Near-Wall Processes in an Optically Accessible Spark-Ignition Engine.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026620
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Within this dissertation, near-wall processes in an optically accessible direct-injection spark-ignition engine are investigated experimentally. These processes affect the thermodynamic efficiency and pollutant emission, specifically through heat transfer, fuel wall film formation, turbulent transport and mixing, flame-wall interaction, and pollutant formation. Because reducing greenhouse gas and pollutant emissions is imperative in the context of climate change mitigation and compliance with future regulations, a comprehensive understanding of these interacting processes is required.

In this work, experimental investigations are performed using a combination of minimally invasive optical diagnostics in a well-characterized engine test bench. Thermographic phosphors are applied at several locations in the combustion chamber to measure wall temperatures for motored and fired operation. During fired operation, temperatures increase steadily, with the greatest rise occurring in the first 50 cycles. The flame-wall interaction in the crevice, into which the flame is pushed during combustion, is investigated for the first time. Furthermore, heat fluxes are estimated from the time-resolved surface temperatures. Peak heat fluxes during fired operation are up to 15 MWm−2 on the metallic piston side and approximately 1 MWm−2 on the piston and cylinder glass.

The velocity boundary layer above the piston is resolved down to the viscous sublayer with high-resolution particle tracking velocimetry. At an engine speed of 2500 rpm, the viscous sublayer is as thin as 30 µm. Furthermore, there is a strong overlap of the inner and outer layer and velocity profiles do not adhere to the logarithmic law. However, in both velocity magnitude and fluctuations, similarities to impinging wall jets are observed. Conditional averaging reveals that the degree of boundary layer development depends on the horizontal location and instantaneous flow mode.

Emission formation in the context of wall films is studied with simultaneous diagnostics combining velocimetry, laser-induced fluorescence of acetone, and flame as well as soot visualizations. Therefore, a fuel wall film is deliberately created by a late single-hole injection of acetone. The resulting soot luminosity above the piston (commonly called pool fire) is characterized and attributed to flame-free pyrolysis of fuel-rich zones in the hot burnt gas. A strong sensitivity of vaporization and consequently soot formation processes to the wall temperature is observed. Measured acetone mole fractions in the bulk flow are on average below 2 %, which indicates that soot formation is limited to sufficiently high fuel-air ratios in the direct wall vicinity. Thereby, cycle-to-cycle variations of soot luminosity are high. Strong correlations between the velocity and mixing field, and soot luminosity are found. Conditional statistics reveal the influence of the flow on the flame propagation. It is hypothesized that combustion-induced convection of soot nests along the colder temperature boundary layer is responsible for reduced soot luminosity in some cycles.

The presented results provide novel insights into relevant near-wall phenomena in an engine and extend the data available for validation and the boundary conditions for numerical simulations.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Schmidt, Marius
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Experimental Investigations of Near-Wall Processes in an Optically Accessible Spark-Ignition Engine
Sprache: Englisch
Referenten: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Zigan, Prof. Dr. Lars
Publikationsjahr: 13 Februar 2024
Ort: Darmstadt
Verlag: TUprints
Kollation: XXII, 162 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 27 Juli 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026620
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26620
Kurzbeschreibung (Abstract):

Within this dissertation, near-wall processes in an optically accessible direct-injection spark-ignition engine are investigated experimentally. These processes affect the thermodynamic efficiency and pollutant emission, specifically through heat transfer, fuel wall film formation, turbulent transport and mixing, flame-wall interaction, and pollutant formation. Because reducing greenhouse gas and pollutant emissions is imperative in the context of climate change mitigation and compliance with future regulations, a comprehensive understanding of these interacting processes is required.

In this work, experimental investigations are performed using a combination of minimally invasive optical diagnostics in a well-characterized engine test bench. Thermographic phosphors are applied at several locations in the combustion chamber to measure wall temperatures for motored and fired operation. During fired operation, temperatures increase steadily, with the greatest rise occurring in the first 50 cycles. The flame-wall interaction in the crevice, into which the flame is pushed during combustion, is investigated for the first time. Furthermore, heat fluxes are estimated from the time-resolved surface temperatures. Peak heat fluxes during fired operation are up to 15 MWm−2 on the metallic piston side and approximately 1 MWm−2 on the piston and cylinder glass.

The velocity boundary layer above the piston is resolved down to the viscous sublayer with high-resolution particle tracking velocimetry. At an engine speed of 2500 rpm, the viscous sublayer is as thin as 30 µm. Furthermore, there is a strong overlap of the inner and outer layer and velocity profiles do not adhere to the logarithmic law. However, in both velocity magnitude and fluctuations, similarities to impinging wall jets are observed. Conditional averaging reveals that the degree of boundary layer development depends on the horizontal location and instantaneous flow mode.

Emission formation in the context of wall films is studied with simultaneous diagnostics combining velocimetry, laser-induced fluorescence of acetone, and flame as well as soot visualizations. Therefore, a fuel wall film is deliberately created by a late single-hole injection of acetone. The resulting soot luminosity above the piston (commonly called pool fire) is characterized and attributed to flame-free pyrolysis of fuel-rich zones in the hot burnt gas. A strong sensitivity of vaporization and consequently soot formation processes to the wall temperature is observed. Measured acetone mole fractions in the bulk flow are on average below 2 %, which indicates that soot formation is limited to sufficiently high fuel-air ratios in the direct wall vicinity. Thereby, cycle-to-cycle variations of soot luminosity are high. Strong correlations between the velocity and mixing field, and soot luminosity are found. Conditional statistics reveal the influence of the flow on the flame propagation. It is hypothesized that combustion-induced convection of soot nests along the colder temperature boundary layer is responsible for reduced soot luminosity in some cycles.

The presented results provide novel insights into relevant near-wall phenomena in an engine and extend the data available for validation and the boundary conditions for numerical simulations.

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In dieser Dissertation werden wandnahe Prozesse in einem optisch zugänglichen Ottomotor mit Direkteinspritzung experimentell untersucht. Diese Prozesse wirken sich auf den thermodynamischen Wirkungsgrad und die Schadstoffemissionen aus, insbesondere durch Wärmeübertragung, Bildung von Kraftstoffwandfilmen, turbulenten Transport und Vermischung, Flamme-WandWechselwirkung und Schadstoffbildung. Da die Verringerung der Treibhausgas- und Schadstoffemissionen von technischen Verbrennungsprozessen im Zusammenhang mit der Bekämpfung des Klimawandels und der Einhaltung künftiger Abgasregularien unerlässlich ist, ist ein umfassendes Verständnis dieser interagierenden Prozesse erforderlich.

In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen mit einer Kombination aus minimalinvasiver optischer Diagnostik in einem umfangreich charakterisierten Motorprüfstand durchgeführt. Thermografische Phosphore werden an mehreren Stellen im Brennraum angebracht, um die Wandtemperaturen im geschleppten und gefeuerten Betrieb zu messen. Zum ersten Mal liegen Temperaturmessungen im Kolbenspalt vor, die einen vertikalen Temperaturgradienten am Kolben aufzeigen. Im gefeuerten Betrieb steigen die Temperaturen stetig an, wobei der stärkste Anstieg in den ersten 50 Zyklen zu verzeichnen ist. Die Flamme-Wand-Wechselwirkung im Kolbenspalt, in den die Flamme während der Verbrennung hineingedrückt wird, wird zum ersten Mal untersucht. Außerdem werden aus den zeitlich aufgelösten Oberflächentemperaturen Wandwärmeströme abgeschätzt. Diese betragen im gefeuerten Betrieb bis zu 15 MWm−2 auf der metallischen Kolbenflanke und etwa 1 MWm−2 auf dem Kolben- und Zylinderglas.

Die Geschwindigkeitsgrenzschicht über dem Kolben wird mit hochauflösender Particle-TrackingVelocimetry aufgelöst. Bei einer Motordrehzahl von 2500 U/Min ist die viskose Unterschicht 30 µm dick. Außerdem überlappen sich die innere und die äußere Schicht stark, und die Geschwindigkeitsprofile folgen dem logarithmischen Wandgesetz nicht. Sowohl in der Geschwindigkeitsmagnitude als auch bei den Fluktuationen sind jedoch Ähnlichkeiten mit Prallströmungen zu beobachten. Konditionierte Mittelwerte zeigen, dass der Grad der Grenzschichtentwicklung von der horizontalen Position und dem instantanen Strömungsmodus abhängt.

Die Emissionsbildung im Zusammenhang mit Kraftstoffwandfilmen wird mithilfe von simultanen Messungen mit PIV, laserinduzierter Fluoreszenz von Aceton sowie Flammen- und Rußvisualisierungen untersucht. Dazu wurde durch späte Injektion von Aceton mit einem Einlochinjektor gezielt ein Kraftstofffilm erzeugt. Das im Verlauf resultierende Rußleuchten oberhalb des Kolbens (häufig als “Pool Fire” bezeichnet) wird charakterisiert und auf Pyrolyse von kraftstoffreichen Zonen im heißen Abgas zurückgeführt. Es wird eine starke Sensitivität der Verdampfungs- und folglich Rußbildungsprozesse gegenüber der Wandtemperatur beobachtet. Die gemessenen AcetonMolenbrüche der Hauptströmung liegen im Durchschnitt unter 2 %, was darauf hindeutet, dass die Rußbildung auf Regionen in unmittelbarer Wandnähe mit hohem Kraftstoff-Luft-Verhältnissen beschränkt ist. Zudem werden starke Schwankungen des Rußeigenleuchtens von Zyklus zu Zyklus beobachtet. Signifikante Korrelationswerte werden zwischen den Geschwindigkeits- und Mischungsfeldern und dem Rußleuchten berechnet. Konditionierte Statistiken zeigen den Einfluss der Strömung auf die Flammenausbreitung. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass die verbrennungsbedingte Konvektion von initialen Rußpartikeln entlang der kälteren Temperaturgrenzschicht für das geringere Rußleuchten in einigen Zyklen verantwortlich ist.

Die vorgestellten Ergebnisse bieten neue Einblicke in relevante wandnahe motorische Phänomene und erweitern den Datensatz der für die Verifikation sowie die Randbedingungen von numerischen Simulationen zur Verfügung steht.

Deutsch
Freie Schlagworte: Laser Diagnostics, IC Engine, Near Wall, Boundary Layer, Particle Tracking Velocimetry, Soot Formation, Thermographic Phosphors
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-266204
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM)
Hinterlegungsdatum: 13 Feb 2024 13:08
Letzte Änderung: 14 Feb 2024 06:25
PPN:
Referenten: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Zigan, Prof. Dr. Lars
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 27 Juli 2023
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