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A 3D Computational Study of Soot Formation in Gasoline Direct-Injection Engines during Transient Operation

Held, Florian (2024)
A 3D Computational Study of Soot Formation in Gasoline Direct-Injection Engines during Transient Operation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026970
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Particulate matter has harmful effects on the environment and human health. A significant share of anthropogenic sources of particulate matter originate from the transport sector. For this reason, legal limits are in place worldwide to limit particulate matter emissions. Since 2017, part of the EU legislation includes testing of real driving emissions (RDE), i.e., emissions measured during real-world driving. Compliance with the limits according to these new standards cannot only be achieved by optimizing particulate emissions during stationary engine operation but also requires consideration of particulate emissions during highly dynamic engine operation. Hence, the focus of current research and development is increasingly shifting toward highly dynamic transient engine scenarios. While 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) is an already established design tool for engine development, especially for steady-state operating points, it is rarely or never used for investigating transient engine operation. On the one hand, this is due to the lack of availability of suited models for analyzing the relevant phenomena along the entire engine cause-and-effect chain. On the other hand, the boundary conditions required for 3D-CFD are usually not characterized in sufficient detail. Added to this is the enormously high computational effort required for the calculation of consecutive engine cycles.

Nevertheless, the available methods and models have continuously evolved in recent years. Together with the continuous increase of available computational resources, 3D-CFD simulation of transient engine scenarios is becoming more and more feasible. This paper will therefore demonstrate how, with the currently available models and resources, 3D-CFD simulation can be utilized to analyze particulate emissions in transient engine scenarios. For this purpose, a complete framework for the simulation of soot particle emissions in a gasoline direct-injection engine is presented. The framework, consisting of a number of engine-specific submodels, is extended by a detailed QMOM (Quadrature Method of Moments) soot model to ensure an accurate representation of the particle formation chain. The framework is first evaluated at the steady-state operating point of an optically accessible research engine and on the basis of available soot luminescence and extinction measurements. In a next step, the framework is extended for the simulation of consecutive multi-cycle simulations and the application in transient engine scenarios. The primary emphasis is placed on the accurate characterization of the transient scenario in the virtual engine environment. Parts of this extension are the introduction of a methodology for averaging data from multiple test bench realizations, a modified 1D gas exchange analysis for calculating crank angle resolved boundary conditions and a parallelization strategy for the efficient calculation of consecutive engine cycles. Finally, the extended framework is applied to an RDE-relevant and soot emission-critical transient driving scenario to study particle formation. A cause-and-effect chain analysis on 30 consecutive engine cycles is performed to identify the root causes of increased particulate emissions. The novel insights gained are then used to identify optimization potential. In summary, this thesis presents a comprehensive framework for the investigation of soot particle formation in transient engine operation of gasoline direct-injection engines. Combined with experimental studies, the framework is suitable as a diagnostic tool for identifying and analyzing the root causes of increased soot particle generation and deriving optimization potentials of individual scenarios.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Held, Florian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: A 3D Computational Study of Soot Formation in Gasoline Direct-Injection Engines during Transient Operation
Sprache: Englisch
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Beidl, Prof. Dr. Christian
Publikationsjahr: 11 Juli 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xi, 134 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 17 Oktober 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026970
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26970
Kurzbeschreibung (Abstract):

Particulate matter has harmful effects on the environment and human health. A significant share of anthropogenic sources of particulate matter originate from the transport sector. For this reason, legal limits are in place worldwide to limit particulate matter emissions. Since 2017, part of the EU legislation includes testing of real driving emissions (RDE), i.e., emissions measured during real-world driving. Compliance with the limits according to these new standards cannot only be achieved by optimizing particulate emissions during stationary engine operation but also requires consideration of particulate emissions during highly dynamic engine operation. Hence, the focus of current research and development is increasingly shifting toward highly dynamic transient engine scenarios. While 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) is an already established design tool for engine development, especially for steady-state operating points, it is rarely or never used for investigating transient engine operation. On the one hand, this is due to the lack of availability of suited models for analyzing the relevant phenomena along the entire engine cause-and-effect chain. On the other hand, the boundary conditions required for 3D-CFD are usually not characterized in sufficient detail. Added to this is the enormously high computational effort required for the calculation of consecutive engine cycles.

Nevertheless, the available methods and models have continuously evolved in recent years. Together with the continuous increase of available computational resources, 3D-CFD simulation of transient engine scenarios is becoming more and more feasible. This paper will therefore demonstrate how, with the currently available models and resources, 3D-CFD simulation can be utilized to analyze particulate emissions in transient engine scenarios. For this purpose, a complete framework for the simulation of soot particle emissions in a gasoline direct-injection engine is presented. The framework, consisting of a number of engine-specific submodels, is extended by a detailed QMOM (Quadrature Method of Moments) soot model to ensure an accurate representation of the particle formation chain. The framework is first evaluated at the steady-state operating point of an optically accessible research engine and on the basis of available soot luminescence and extinction measurements. In a next step, the framework is extended for the simulation of consecutive multi-cycle simulations and the application in transient engine scenarios. The primary emphasis is placed on the accurate characterization of the transient scenario in the virtual engine environment. Parts of this extension are the introduction of a methodology for averaging data from multiple test bench realizations, a modified 1D gas exchange analysis for calculating crank angle resolved boundary conditions and a parallelization strategy for the efficient calculation of consecutive engine cycles. Finally, the extended framework is applied to an RDE-relevant and soot emission-critical transient driving scenario to study particle formation. A cause-and-effect chain analysis on 30 consecutive engine cycles is performed to identify the root causes of increased particulate emissions. The novel insights gained are then used to identify optimization potential. In summary, this thesis presents a comprehensive framework for the investigation of soot particle formation in transient engine operation of gasoline direct-injection engines. Combined with experimental studies, the framework is suitable as a diagnostic tool for identifying and analyzing the root causes of increased soot particle generation and deriving optimization potentials of individual scenarios.

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Feinstaub hat schädliche Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit. Ein wesentlicher Teil der anthropogenen Feinstaubquellen stammt aus dem Verkehrssektor. Aus diesem Grund gelten weltweit gesetzliche Grenzwerte zur Begrenzung der Feinstaubemissionen. Teil der EU-Gesetzgebung ist seit 2017 auch die Prüfung der sogenannten Real Driving Emissions (RDE), also der Emissionen im praktischen Fahrbetrieb auf der Straße. Die Einhaltung der Grenzwerte nach diesen neuen Normen kann nicht nur durch die Optimierung der Partikelemissionen im stationären Motorbetrieb erreicht werden, sondern erfordert auch die Berücksichtigung der Partikelemissionen im hochdynamischen Motorbetrieb. Aus diesem Grund rücken hochdynamische transiente Motorszenarien immer mehr in den Fokus aktueller Forschung und Entwicklung. Während sich die 3D-CFD (Computational Fluid Dynamics) als Entwicklungswerkzeug in der Motorenentwicklung insbesondere für stationäre Betriebspunkte etabliert hat, wird sie für instationäre Betriebspunkte nur selten oder gar nicht eingesetzt. Dies liegt zum einen an der mangelnden Verfügbarkeit geeigneter Modelle zur Analyse der relevanten Phänomene entlang der gesamten motorischen Wirkkette. Zum anderen sind die für die 3D-CFD notwendigen Randbedingungen in der Regel nicht ausreichend genau charakterisiert. Hinzu kommt der enorm hohe Rechenaufwand bei der Berechnung konsekutiver Motorzyklen.

Nichtsdestotrotz kam es in den vergangen Jahren zu einer stetigen Weiterentwicklung verfügbarer Methoden und Modelle. Zusammen mit der kontinuierlichen Zunahme der verfügbaren Rechenressourcen ist die 3D-CFD Simulation von instationären Motorszenarien immer greifbarer geworden. In dieser Arbeit soll deshalb demonstriert werden wie mit den aktuell verfügbaren Modellen und Ressourcen die 3D-CFD Simulation zur Analyse der Partikelemissionen in transienten Motorszenarien eingesetzt werden kann. Hierzu wird zunächst ein vollständiges Framework zur Simulation von Rußpartikelemissionen in einem direkteinspritzenden Verbrennungsmotor vorgestellt. Das Framework, bestehend aus einer Reihe teils motorspezifischer Submodelle, wird um ein detailliertes QMOM (Quadrature Method of Moments) Rußmodell erweitert, um eine genaue Abbildung der Partikelbildungskette zu gewährleisten. Die Evaluierung des Frameworks erfolgt am stationären Betriebspunkt eines optisch zugänglichen Forschungsmotors und auf Basis verfügbarer Rußlumineszenz- und Extinktionsmessungen. In einem nächsten Schritt wird das Framework für die Simulation von konsekutiven Mehrzyklussimulationen und die Anwendung in transienten Motorszenarios erweitert. Der Fokus liegt dabei auf der genauen Charakterisierung des transienten Szenarios in der virtuellen Motorumgebung. Bestandteile dieser Erweiterung sind die Einführung einer Methodik zur Mittelung multipler Prüfstandsrealisierungen, eine modifizierte 1D-Ladungswechselanalyse zur Berechnung kurbelwinkelaufgelöster Randbedingungen sowie eine Parallelisierungsstrategie zur effizienten Berechnung konsekutiver Motorzyklen. Das erweiterte Framework wird schließlich auf ein RDE-relevantes und rußemissionskritisches transientes Fahrszenario angewendet um die Partikelentstehung zu untersuchen. In einer Wirkungskettenanalyse auf Basis von 30 aufeinanderfolgenden Motorzyklen werden die Ursachen für erhöhte Partikelemissionen identifiziert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend genutzt, um Optimierungspotenziale zu identifizieren. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit ein umfassendes Framework zur Untersuchung der Rußpartikelbildung im transieten Motorbetrieb direkteinspritzender Ottomotoren präsentiert. Das Framework eignet sich in Kombination mit experimentellen Untersuchungen als diagnostisches Werkzeug zur Identifikation und Analyse der Ursachen erhöhten Rußpartikelaufkommens und zur Ableitung von Optimierungspotenzialen individueller Szenarien.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-269708
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: 11 Jul 2024 11:41
Letzte Änderung: 12 Jul 2024 06:58
PPN:
Referenten: Hasse, Prof. Dr. Christian ; Beidl, Prof. Dr. Christian
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 17 Oktober 2023
Export:
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