Abgeschlossen

Doktorand: Corinna Netzer

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

Detaillierte Klopfmodelle unterstützen den Entwicklungsprozess zur Optimierung des thermischen Wirkungsgrads von Ottomotoren. Die vorliegende Arbeit diskutiert einen neuen Ansatz zur Bewertung von motorischen Klopfen mittels der Resonanztheorie (Bradley und Kollegen, 2002) für die Nutzung in dreidimensionalen Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulationen (RANS) und im nulldimensionalen Spark Ignition Stochastic Reactor Model (SI-SRM). Hierbei wird die Selbstentzündung in den unverbrannten Gasen direkt untersucht anstatt der resultierenden Druckwelle. Mit Hilfe des Detonationsdiagramms können Selbstzündungsereignisse klassifiziert und der mögliche Übergang zu einer schädlichen, sich aufbauenden Detonation bestimmt werden. Die vorgemischte Verbrennung wird mittels detaillierter Chemie und einer Beschreibung der turbulenten Flammenausbreitung modelliert. Die Verwendung von detaillierter Chemie ermöglicht die Vorhersage physikalischer und chemischer Prozesse, zum Beispiel, abhängig von der Oktanzahl, dem C:H:O-Verhältniss oder der Verdünnung. Für beide Modelle wird die laminare Flammengeschwindigkeit aus Tabellen abgerufen, die unter Verwendung des Reaktionsmechanismus für Ethanol haltige Toluol-Referenzkraftstoffe (ETRF) von Seidel (2017) unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Ersatzkraftstoffes erstellt werden. In den unverbrannten Gasen wir der Reaktionsmechanismus für die Simulation der Selbstzündung genutzt. Zu diesem Zweck wird in RANS die G-Gleichung mit einem Well-Stirred-Reactor (WSR) Modell gekoppelt. In Analogie wird im SI-SRM ein Zwei-Zonen-Modell mit stochastischer Mischung der Partikel verwendet. RANS wird zur Entwicklung der Methodik zur Klopfbewertung und zur detaillierten Analyse von Position, Größe und Form der Selbstentzündungskerne verwendet. RANS liefert ensemble-gemittelte Größen und kann daher eine entstehende Detonation nicht auflösen. Daher wird die Methodik mit Large Eddy Simulationen (LES) verifiziert. Für Studien, die viele verschiede Ersatzkraftstoffe mit unterschiedlichen Oktanzahlen und zyklische Schwankungen untersuchen, wird das SI-SRM aufgrund der kurzen Rechenzeiten genutzt. Zyklische Schwankungen werden basierend auf stochastischem Mischen der virtuellen Partikeln, stochastischem Wärmeübergang zur Wand, variierende Zusammensetzung der zurück geführten Abgase und vorgegeben Verteilungsfunktionen für Entflammung und Mischungszeit modelliert. Die Methodik wurde hinsichtlich der Reaktion auf Zündzeitpunkt und Oktanzahl verifiziert. Die Zusammensetzung des Ersatzkraftstoffs hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Vorhersage des motorischen Klopfens. RANS ist geeignet, die mittlere Stärke der Selbstzündung im unverbrannten Gas vorherzusagen, wenn der thermodynamische und chemische Zustand des Zündkerns analysiert wird anstatt des Druckgradientens. Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs zu einer sich aufbauenden Detonation (Klopfen) kann bestimmt werden. Die Ergebnisse von RANS und SI-SRM stimmen gut überein. Die Kombination beider Werkzeuge ermöglicht die Untersuchung lokaler Effekte (RANS) und die Verteilung der Selbstzündung über die gesamte Ausdehnung des maximalen Druckes eines Betriebspunktes (SI-SRM) mit vertretbarem rechnerischem Aufwand für den Einsatz in der Motorenentwicklung.

OPUS 4

Doktorand: Amruta Nawdiyal

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

Diese Arbeit vereint das Verständnis der Hochtemperatur-Oxidationschemie von Cycloalkanen bzw. Methyl-Cyclohexan und deren Erweiterung zur Entwicklung des n-Propylcyclohexan Reaktionsmechanismus basierend auf der Cyclohexan Chemie. Um die Ringöffnung von Cyclohexan zur Bildung von 1-Hexen zu berücksichtigen, wurde das zuvor publizierte detaillierte kinetische Modell für 1-Hexen hinzugefügt. Als Erweiterung zu der Veröffentlichung, wurde die allylische H-Abstraktion von 1-Hexen und die Retro-En Reaktion zur Herstellung von Propen mitberücksichtigt. Das vollständige detaillierte kinetische Modell besteht aus 329 Spezies und 2065 reversiblen Reaktionen. Das kinetische Modell wurde für Stoßwellenrohr-, Flussreaktor- und Flammen Experimente bei verschiedenen Temperaturen, Drücken und Kraftstoff-Luft-Verhältnissen validiert. Die Ergebnisse zeigen dabei eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten und untermauern die Allgemeingültigkeit des kinetischen Modells. Die allylischen Radikale (C₆H₁₁-D1R3) entstehen dabei vornehmlich aus der Abstraktion von 1-Hexen und verbessern die Prognose der C₆H₁₁ Verläufe. Zusätzlich beeinflussen sie den Isomerisierungspfad von C₆H₁₁-D1R6 zu Cyclohexyl Radikalen (CYC₆H₁₁), welche anschließend Cyclohexen (CYC₆H₁₀) bilden. Dabei wird beobachtet, dass die CYC₆H₁₀ Verläufe bei 1-Hexen Flammen und Cyclohexan Speziesbestimmung überschätzt werden. Die Ring-H-Abstraktion ist hier die wichtigste Zerfallsreaktion von Cycloalkanen. Die Reaktion zur Ringöffnung zur Bildung von Olefinen läuft über Cyclohexan und Methyl-Cyclohexan ab und ist eher schwach. Der Reaktionsweg über Fulven beeinflusst die Bildung von Benzol bei 1-Hexen, zeigt aber keinen Einfluss auf die Entstehung von Cycloalkanen. Daraus wird gefolgert, dass es andere Bildungspfade für Benzol bei Cycloalkanen gibt. Mögliche Bildungspfade sind die Dehydrierung von Dienen und Cyclo-Olefinen.

https://doi.org/10.26127/BTUOpen-4852

Doktorand: Xiaoxiao Wang

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

In den letzten Jahren ist Biodiesel ein alternativer Kraftstoff für Petrodiesel, der erneuerbar ist und weniger schädliche Emissionen als herkömmlicher Dieselkraftstoff erzeugt. Gemischte Biodiesel, die in der Regel B20 oder unten ist, wurde am häufigsten verwendet. In der vorliegenden Arbeit wird der kinetische Mechanismus der Mischung vom n-Decan, dem α-Methylnaphthalin (AMN) und dem Methyldecanoat (MD) entwickelt und als Biodiesel-Dieselsurrogat validiert. Die IDEA Referenz Brennstoff (70% n-Decan/30% AMN) wurde in der Vergangenheit als zwei-Komponenten-Dieselsurrogat formuliert. Ein umfassendes und kompaktes Oxidationsmechanism für den IDEA Referenz Brennstoff wird entwickelt. Eine wichtige Interaktion über den Reaktionsweg von A2CH2 und HO2 wird beobachtet und dann ausführlich besprochen. Die IDEA Mischungen werden durch umfassende Experimente für n-Decan, AMN und die AMN-n-Decan-Mischungen validiert. Zündverzugszeiten, Flammengeschwindigkeiten, Stoffmengenanteile im Rührreaktoren (jet-stirred reactor) und Laborflammen werden erfolgreich für einen breiten Temperaturbereich (500-2000 K) und Drücke (1-50 bar) simuliert. Die Simulationen der IDEA mit dem aktuellen Modell zeigen akzeptable Übereinstimmung im Vergleich mit verschiedenen experimentellen Zündverzugszeiten und Flammengeschwindigkeiten von Dieselkraftstoff. MD gilt als zwei-Komponenten-Dieselsurrogat in Form von einer Kette, die aus zehn Kohlenstoffatomen und einem Methylester besteht. Ein umfassendes und kompaktes kinetisches Modell für MD wird entwickelt. Der Mechanismus wird kritisch durch Vergleich von Modellvorhersagen mit Experimenten über eine breite Temperatur (500 bis 1500 K) und Druck (1 bis 20 Bar) und für verschiedene Verhältnisse von Brennstoff/Oxidation getestet. Die chemischen Informationen während der Reduktion wurden durch die Simulationsergebnisse sowie durch Sensitivitätsanalysen und Strömungsanalysen bestätigt, die mit dem detaillierten und dem Skelettmodell durchgeführt wurden. Das MD Modell wird mit verfügbaren experimentellen Zündverzugszeiten von Biodiesel-Brennstoffen verglichen. Die gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den Experimenten beweist, dass dieses Modell ein zuverlässiges kinetisches Modell für Simulationen ist, die entweder von selbst oder in Kombination mit IDEA-Mischungen verwendet werden. Um den Mechanismus zu verbessern, wird es in der Arbeit eine neue drei-stufige reaktive Strömungsanalyse eingeführt. Die endgültige Skelett n-Decan/AMN/MD-Mischung mit Skelett-Base-Mechanismus umfasst 295 Spezies und 3500 Reaktionen mit Hilfe der CGR-Methode. Basierend auf die oben genannten Validierungen und Vergleiche gilt diese Mischung als ein Biodiesel-Dieselsurrogat, das geeignet für die Verbesserung des kinetischen Verständnisses und für die Anwendung in Motor-Simulationen ist.

OPUS 4

Doktorand: Lars Seidel

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

In dieser Arbeit wurde ein detaillierter Reaktionsmechanismus für einen Mehrkomponentenersatzkraftstoff für Benzin entwickelt und zu einem vier Komponenten Skelett-Mechanismus reduziert. Das Hauptaugenmerk lag darauf die wichtigsten Eigenschaften für typische Verbrennungsprozesse/Verbrennungsregime in Ottomotoren abzudecken: Flammenausbreitung, Emissionsbildung und die Tendenz zum durch Selbstzündung indizierten Klopfens. Um dies zu erreichen wurde ein variables Mechanismenkonzept entwickelt mit dessen Hilfe sich Submodelle für verschiedene Kraftstoffe einbinden lassen. Mit diesem Ansatz wurde ein detaillierter Mechanismus erstellt um die Oxidation von n-Heptan, iso-Oktan, Toluen und Ethanol zu beschreiben und gegen verschiedene publizierte Experimente verglichen. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt um vier Komponenten Ersatzkraftstoffe mit Hilfe von Kraftstoffdatenblättern zu formulieren. Diese Methode ist gegen Messungen von verschiedenen Gruppen in dem Cooperative Fuel Research (CFR) Motor validiert. Weiterhin wurden die Gemische gegen Korrelationen zwischen Oktanzahlen und 0D Zündverzugszeiten verglichen. Diese Korrelationen wurden genutzt um den Einfluss der Unsicherheit in der Reaktionsgeschwindigkeit zweier Reaktionen zu identifizieren und zu diskutieren. Um den detaillierten Reaktionsmechanismus effektiv reduzieren zu können wurden existierende Reduktionskonzepte verbessert und auf verschiedene Mechanismen und Ziele angewendet. Da verschiedene Reduktionstechniken zur Verfügung standen wurde eine optimale Reihenfolge ausgearbeitet. Mit Hilfe dieser Reduktionssequenz wurden zwei reduzierte Mehrkomponentenreaktionsmechanismen erzeugt: Einer zur Vorhersage von laminaren Flammengeschwindigkeiten und einer für die Vorhersage von Hauptemissionen und Selbstzündung. Um zu unterstreichen, dass die entwickelte Reduktionsprozedur universal einsetzbar ist, wurde diese auch zur Reduktion eines n-Heptan Mechanismus angewendet. Weiterhin wurde ein großer Reaktionsmechanismus einer anderen Arbeitsgruppe für einen zwei Komponenten Dieselersatzkraftstoff reduziert.

OPUS 4

Doktorand: Andreas Manz

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

Downsizing of modern gasoline engines with direct injection is a key concept for achieving future CO22 emission targets. However, high power densities and optimum efficiency are limited by an uncontrolled autoignition of the unburned air-fuel mixture, the so-called spark knock phenomena. By a combination of three-dimensional Computational Fluid Dynamics (3D-CFD) and experiments incorporating optical diagnostics, this work presents an integral approach for predicting combustion and autoignition in Spark Ignition (SI) engines. The turbulent premixed combustion and flame front propagation in 3D-CFD is modeled with the G-equation combustion model, i.e. a laminar flamelet approach, in combination with the level set method. Autoignition in the unburned gas zone is modeled with the Shell model based on reduced chemical reactions using optimized reaction rate coefficients for different octane numbers (ON) as well as engine relevant pressures, temperatures and EGR rates. The basic functionality and sensitivities of improved sub-models, e.g. laminar flame speed, are proven in simplified test cases followed by adequate engine test cases. It is shown that the G-equation combustion model performs well even on unstructured grids with polyhedral cells and coarse grid resolution. The validation of the knock model with respect to temporal and spatial knock onset is done with fiber optical spark plug measurements and statistical evaluation of individual knocking cycles with a frequency based pressure analysis. The results show a good correlation with the Shell autoignition relevant species in the simulation. The combined model approach with G-equation and Shell autoignition in an active formulation enables a realistic representation of thin flame fronts and hence the thermodynamic conditions prior to knocking by taking into account the ignition chemistry in unburned gas, temperature fluctuations and self-acceleration effects due to pre-reactions. By the modeling approach and simulation methodology presented in this work the overall predictive capability for the virtual development of future knockproof SI engines is improved.

Doktorand: Michal Pasternak

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

The present work is concerned with the simulation of combustion, emission formation and fuel effects in Diesel engines. The simulation process is built around a zero-dimensional (0D) direct injection stochastic reactor model (DI-SRM), which is based on a probability density function (PDF) approach. An emphasis is put on the modelling of mixing time to improve the representation of turbulence-chemistry interactions in the 0D DI-SRM. The mixing time model describes the intensity of mixing in the gas-phase for scalars such as enthalpy and species mass fraction. On a crank angle basis, it governs the composition of the gas mixture that is described by PDF distributions for the scalars. The derivation of the mixing time is based on an extended heat release analysis that has been fully automated using a genetic algorithm. The predictive nature of simulations is achieved through the parametrisation of the mixing time model with known engine operating parameters such as speed, load and fuel injection strategy. It is shown that crank angle dependency of the mixing time improves the modelling of local inhomogeneity in the gas-phase for species mass fraction and temperature. In combination with an exact treatment of the non-linearity of reaction kinetics, it enables an accurate prediction of the rate of heat release, in-cylinder pressure and exhaust emissions, such as nitrogen oxides, unburned hydrocarbons and soot, from differently composed fuels. The method developed is particularly tailored for computationally efficient applications that focus on the details of reaction kinetics and the locality of combustion and emission formation in Diesel engines.

Doktorand: Galin Nakov

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Simulation von Verbrennung sowie Ruß- und NOx-Emissionen in Dieselmotoren. Für die Rußsimulation wurde das detaillierte Rußmodell von Prof. Dr. F. Mauß angewandt, das auf einer Flamelet-Bibliothek basiert (engl. Flamelet Library of Sources – FLOS). Dabei wird die detaillierte Chemie a priori gelöst und tabelliert, wodurch eine Berücksichtigung von lokalen Chemie- und Turbulenzeffekten bei akzeptablen CPU-Rechenzeiten ermöglicht wird. Unter der berechtigten Annahme, dass die Rußchemie viel langsamer als die turbulenten Längenskalen im Strömungsfeld ist, können Rußreaktionsraten vorausberechnet und in der FLOS tabelliert werden. Des Weiteren wurde ein ähnlich gestaltetes NOx-Modell entwickelt, das auch auf einem Flamelet-Bibliotheksansatz basiert. Eine große Herausforderung bei der Anwendung von Flamelet-Bibliotheksansätzen ist die Kopplung zum CFD-Code. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode, mit der die Kopplung zum CFD-Code verbessert wird. Der vorgeschlagene Ansatz weist eine weitere Bibliothek auf, in der Temperaturprofile von stationären Flamelets tabelliert sind. Mithilfe dieser zusätzlichen Bibliothek kann das Flamelet ausgewählt werden, das genau den thermodynamischen Bedingungen und der Gemischzusammensetzung in der CFD-Zelle entspricht. Damit wird die Konsistenz zwischen FLOS und CFD-Code hinsichtlich Mischungs-bruch und Temperatur gewährleistet. Weitere Optimierung der Kopplung zwischen FLOS und dem CFD-Code wurde durch die Berücksichtigung der lokalen Acetylenkonzentration erreicht. Das Rußmodell ist unabhängig von dem in der CFD-Software verwendeten Verbrennungsmodell. Somit werden die Verbrennungsvorgänge in der Gasphase vom Rußmodell nicht beeinflusst. Gleichzeitig wird das Rußmodell von der Gasphasenchemie nicht beeinflusst. Während der stationären Flamelet-Rechnungen ist die lokale Rußoberfläche, von der das Oberflächenwachstum direkt abhängt, nicht bekannt. Aus diesem Grund kann der Acetylenverbrauch durch Rußoberflächenwachstum in der FLOS nicht explizit berechnet werden. Deshalb wurde das Acetylen-Feedback eingeführt: eine Limitierung der Rußoberflächenwachstumsrate, die die lokale Acetylenkonzentration berücksichtigt. Das FLOS-Modell und die neu entwickelten Ansätze wurden mit dem CFD-Code STAR-CD© gekoppelt. Das resultierende CFD-Paket wurde für dieselmotorische Verbrennungs- und Emissionssimulation eingesetzt. Der Schwerpunkt der numerischen Untersuchungen lag auf dem Einfluss der AGR-Rate und der Einspritzstrategie auf die Verbrennung und die dabei entstehenden Ruß- und NOx-Emissionen. In diesem Kontext wurde über die Qualität des CFD-Setups und der Verbrennungssimulation diskutiert, die für eine zuverlässige Rußsimulation erforderlich ist. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen und diagnostischen Daten verglichen und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Betriebspunkte. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial der verbrennungs-motorischen CFD-Simulation hinsichtlich Brennverfahrensoptimierung auf.

OPUS 4

Doktorand: Carlo Locci

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Fabian Mauß

Kurzfassung:

Die weltweit gestiegenen Umweltauflagen haben zur Entwicklung neuer Verbrennungs-Technologien geführt. In diesem Kontext bietet das Konzept der flammenlosen Verbrennung (flameless combustion, im Folgenden als FC bezeichnet) Potential für eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes und eine Steigerung der Effizienz. Bei der FC wird die Reaktionszone durch rezirkuliertes Abgas stark verdünnt. Dadurch wird der Sauerstoffgehalt gesenkt und Temperatur-Spitzen werden geglättet, was zu einer reduzierten Wärmefreisetzung führt. Diese Bedingungen führen zu einer drastischen Reduktion der NO-Emissionen und einer erhöhten Effizienz der Verbrennung. Da die FC eine relativ neue Technologie ist, existiert nach wie vor ein hoher Bedarf an weiterer Forschung und Entwicklung, welche zeit- und kostenintensiv ist. Die numerische Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) birgt in diesem Kontext ein hohes Potential für Zeit- und Kostenersparnis. Das Thema dieser Dissertation ist die Untersuchung der FC mittels numerischer Strömungsmechanik, wobei Large Eddy Simulationen statt RANS Simulationen eingesetzt werden, da damit eine bessere Vorhersage der turbulenten Dreistrommischung zwischen Kraftstoff, Luft und Abgas möglich ist. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Zunächst wurde die FC mittels eines neuen tabellierten Verbrennungsmodells untersucht, welches ursprünglich im Rahmen des EC-KIAI Projektes entwickelt worden ist und in Rahmen dieser Arbeit für die FC angepasst wurde. Um die für die FC charakteristischen Einflussfaktoren der Wärmeverluste sowie der Dreistoffmischung zu berücksichtigen, beruht das Modell auf verdünnten homogenen DHR Reaktor Simulationen. Das Modell wurde sowohl an einer akademischen nichtvorgemischten Laborflamme (Flame D) als auch an einem realistischen FC-Brenner (Verissimo et al.) validiert. Die Modellvorhersagen zeigten generell eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten, nur für CO wurden größere Abweichungen beobachtet. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Modellierung der Bildung von NO in der FC genauer untersucht. Hierzu wurde das DF-NORA (diffusion flame NO relaxation approach) Modell entwickelt. Es beruht auf der Tabellierung der Relaxation des Quellterms der NO-Bildung hin zum Gleichgewichtszustand in einer Flamelet-Struktur. Zur Validierung des Modells wurden die gleichen Testfälle wie im ersten Teil der Arbeit benutzt. Dabei wurden für beide Testfälle zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Damit zeigen die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Modelle gutes Potential für einen zukünftigen Einsatz in der Simulation von industriellen FC-Anlagen.

OPUS 4