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Modeling and scale-resolving simulations of knocking combustion initiation in a spark ignition engine

Kircher, Magnus (2024)
Modeling and scale-resolving simulations of knocking combustion initiation in a spark ignition engine.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026772
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Climate change has made the reduction of greenhouse gas emissions one of today's top priorities. Currently, individual mobility contributes significantly to global emissions. To reduce these emissions, there is a trend towards electric vehicles. However, combustion engines will remain relevant and the combustion efficiency must be further improved to reduce the carbon dioxide emissions associated with the combustion of fossil fuels. In this regard, downsizing technology is promising but poses an increased risk of engine damage due to knocking combustion. Here, the stochastic occurrence of knocking combustion requires a knock control that retards the spark timing from the knock limit leading to non-optimal combustion. Therefore, the knock limit is a major limiting factor for engine efficiency. In this context, the knock resistance is an important parameter that depends on the exact fuel composition. For gasoline fuels, however, the fuel composition is not standardized. Therefore, surrogate fuels are needed for numerical investigations. These surrogate fuels are chosen such that the combustion and auto-ignition properties of gasoline fuels are captured. A particular auto-ignition characteristic is the negative temperature coefficient (NTC) behavior, which might change the knocking combustion initiation. However, there is still a deficiency of comprehensive research on this subject. In this thesis, a systematic investigation of the knocking combustion initiation, as well as its cycle-to-cycle variations, at the knock limit for surrogate fuels with NTC behavior is performed. First, a measurement campaign investigating the differences in the knocking behavior of three surrogate fuels and gasoline is analyzed. A model-based analysis shows that the NTC behavior of the fuels is relevant for the operating conditions and can potentially change the knocking combustion initiation mechanism. Given these insights, an existing precursor auto-ignition model is extended to capture the non-linear auto-ignition process of fuels with NTC behavior. The model is validated in 0-D configurations before being applied in two 3-D multi-cycle LES studies. Here, the model is capable of reproducing experimental trends of local and global knock quantities. An influence of the NTC behavior on the local auto-ignition process is found taking into account temperature stratification and turbulent flame propagation. Based on the single cycles of the multi-cycle LES, the cycle-to-cycle variations of knocking combustion initiation are analyzed. Correlations are found that show an influence of large-scale flow structures on the combustion process. The associated cycle-to-cycle variations in the local flame propagation in turn lead to local and thus global differences in the subsequent auto-ignition process. In summary, the findings of this thesis significantly extend the understanding of the cause-and-effect chain of knocking combustion initiation of surrogate fuels with NTC behavior for operating conditions at the knock limit.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Kircher, Magnus
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Modeling and scale-resolving simulations of knocking combustion initiation in a spark ignition engine
Sprache: Englisch
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Pitsch, Prof. Dr. Heinz
Publikationsjahr: 20 März 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: x, 114 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 20 Februar 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026772
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26772
Kurzbeschreibung (Abstract):

Climate change has made the reduction of greenhouse gas emissions one of today's top priorities. Currently, individual mobility contributes significantly to global emissions. To reduce these emissions, there is a trend towards electric vehicles. However, combustion engines will remain relevant and the combustion efficiency must be further improved to reduce the carbon dioxide emissions associated with the combustion of fossil fuels. In this regard, downsizing technology is promising but poses an increased risk of engine damage due to knocking combustion. Here, the stochastic occurrence of knocking combustion requires a knock control that retards the spark timing from the knock limit leading to non-optimal combustion. Therefore, the knock limit is a major limiting factor for engine efficiency. In this context, the knock resistance is an important parameter that depends on the exact fuel composition. For gasoline fuels, however, the fuel composition is not standardized. Therefore, surrogate fuels are needed for numerical investigations. These surrogate fuels are chosen such that the combustion and auto-ignition properties of gasoline fuels are captured. A particular auto-ignition characteristic is the negative temperature coefficient (NTC) behavior, which might change the knocking combustion initiation. However, there is still a deficiency of comprehensive research on this subject. In this thesis, a systematic investigation of the knocking combustion initiation, as well as its cycle-to-cycle variations, at the knock limit for surrogate fuels with NTC behavior is performed. First, a measurement campaign investigating the differences in the knocking behavior of three surrogate fuels and gasoline is analyzed. A model-based analysis shows that the NTC behavior of the fuels is relevant for the operating conditions and can potentially change the knocking combustion initiation mechanism. Given these insights, an existing precursor auto-ignition model is extended to capture the non-linear auto-ignition process of fuels with NTC behavior. The model is validated in 0-D configurations before being applied in two 3-D multi-cycle LES studies. Here, the model is capable of reproducing experimental trends of local and global knock quantities. An influence of the NTC behavior on the local auto-ignition process is found taking into account temperature stratification and turbulent flame propagation. Based on the single cycles of the multi-cycle LES, the cycle-to-cycle variations of knocking combustion initiation are analyzed. Correlations are found that show an influence of large-scale flow structures on the combustion process. The associated cycle-to-cycle variations in the local flame propagation in turn lead to local and thus global differences in the subsequent auto-ignition process. In summary, the findings of this thesis significantly extend the understanding of the cause-and-effect chain of knocking combustion initiation of surrogate fuels with NTC behavior for operating conditions at the knock limit.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Der Klimawandel hat die Verringerung der Treibhausgasemissionen zu einer wesentlichen Priorität unserer Zeit gemacht. Derzeit trägt die individuelle Mobilität erheblich zu den globalen Emissionen bei. Um diese zu reduzieren, gibt es einen Trend zu Elektrofahrzeugen. Verbrennungsmotoren sind jedoch weiterhin relevant, und die Verbrennungseffizienz muss weiter gesteigert werden, um die mit der Verbrennung fossiler Kraftstoffe verbundenen Kohlenstoffdioxidemissionen zu verringern. In dieser Hinsicht ist die Downsizing-Technologie vielversprechend, birgt aber ein erhöhtes Risiko von Motorschäden durch klopfende Verbrennung. In diesem Zusammenhang erfordert das stochastische Auftreten von klopfender Verbrennung eine Klopfregelung. Diese verschiebt den Zündzeitpunkt von der Klopfgrenze weg, was zu einer nicht-optimalen Verbrennung führt. Daher ist die Klopfgrenze ein wesentlicher limitierender Faktor für die motorische Effizienz. Dabei ist die Klopffestigkeit wichtig, die von der genauen Kraftstoffzusammensetzung abhängt. Bei Benzin ist die Kraftstoffzusammensetzung jedoch nicht genormt. Daher werden für numerische Untersuchungen Surrogatkraftstoffe benötigt. Diese werden so gewählt, dass die Verbrennungs- und Selbstzündeigenschaften von Benzinkraftstoffen erfasst werden. Eine besondere Selbstzündcharakteristik ist negatives Temperaturkoeffizienten (NTC) Verhalten, das die Initiierung klopfender Verbrennung verändern könnte. Es fehlt jeodch noch an umfassender Forschung hierzu. In dieser Arbeit wird eine systematische Untersuchung der Initiierung klopfender Verbrennung und ihrer zyklischen Schwankungen an der Klopfgrenze für Surrogatkraftstoffe mit NTC-Verhalten durchgeführt. Zunächst wird eine Messkampagne zur Untersuchung der Unterschiede im Klopfverhalten von drei Surrogatkraftstoffen und Benzin analysiert. Eine modellbasierte Analyse zeigt, dass das NTC-Verhalten der Kraftstoffe für die Betriebsbedingungen relevant ist und den Mechanismus der Klopfverbrennungsauslösung potenziell verändern kann. Angesichts dieser Erkenntnisse wird ein bestehendes Precursor-Selbstzündmodell erweitert, um die nicht-lineare Selbstzündung von Kraftstoffen mit NTC-Verhalten zu erfassen. Das Modell wird in 0-D-Konfigurationen validiert, bevor es in zwei 3-D-Multizyklen-LES-Studien angewendet wird. Hier ist das Modell in der Lage, experimentelle Trends der lokalen und globalen Klopfgrößen zu reproduzieren. Unter Berücksichtigung von Temperaturstratifizierung und turbulenter Flammenausbreitung wird ein Einfluss des NTC-Verhaltens auf den lokalen Selbstzündprozess festgestellt. Basierend auf Einzelzyklen der Multizyklen-LES werden die zyklischen Schwankungen der Initiierung klopfender Verbrennung analysiert. Dabei zeigen Korrelationen einen Einfluss von großskaligen Strömungsstrukturen auf den Verbrennungsprozess an. Die damit verbundenen zyklischen Schwankungen der lokalen Flammenausbreitung führen wiederum zu lokalen und damit globalen Unterschieden im nachfolgenden Selbstzündprozess. Zusammengefasst erweitern die Erkenntnisse dieser Thesis das Verständnis der Wirkkette der Initiierung klopfender Verbrennung von Surrogatkraftstoffen mit NTC-Verhalten für Betriebsbedingungen an der Klopfgrenze erheblich.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-267725
Zusätzliche Informationen:

DFG|349537577|FOR 2687: Zyklische Schwankungen in hochoptimierten Ottomotoren: Experiment und Simulation einer Multiskalen-Wirkungskette, DFG|423158633|Numerische Untersuchung und Wirkungskettenanalyse von zyklischen Schwankungen und deren Einfluss auf die klopfende Verbrennung, Graduate School of Computational Engineering (CE)

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 Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme (STFS)
Hinterlegungsdatum: 20 Mär 2024 14:38
Letzte Änderung: 21 Mär 2024 06:21
PPN:
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Pitsch, Prof. Dr. Heinz
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 20 Februar 2024
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