Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1074
Main Title: Gekoppelter Einsatz von Verfahren zur Berechnung von Einspritzhydraulik, Gemischbildung und Verbrennung von Ottomotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung
Translated Title: Simulation Strategy Based on Coupling of Nnumerical Models for the Hydraulic Processes in the Injection System, the Mixture Fornation and the Combustion in Direct Injection Spark Ignition Engines
Author(s): Stanciu, Andrei Silviu
Advisor(s): Pucher, Helmut
Stan, Cornel
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Entwicklungstendenzen bei modernen Ottomotoren in Richtung hoher hubraumbezogener bzw. massenbezogener Leistung stehen teilweise im Widerspruch mit den Forderungen nach einer deutlichen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission. Um ein Optimum zwischen Produktakzeptanz und gesetzlichen Grenzen zu schaffen, ist es unerlässlich, eine Anpassung zwischen der Steuerung der Innenvorgänge im Motor Ladungswechsel, Gemischbildung und Verbrennung und seiner Konstruktion vorzunehmen. Die innere Gemischbildung mittels Benzin-Direkteinspritzung bietet gekoppelt mit der Aufladung, der variablen Ventilsteuerung und der gesteuerten Selbstzündung durch die damit verbundenen Möglichkeiten zur Prozesskontrolle ein beachtliches Potenzial zur Erhöhung der Leistungsdichte und gleichzeitig zur Senkung der Schadstoffemission. Jedoch ist die Steuerung solcher Prozesse komplizierter und empfindlicher als bei den bisherigen Motoren mit Saugrohreinspritzung. Der Schlüssel zur Anpassung der inneren Gemischbildung an die angrenzenden Prozessabschnitte Ladungswechsel, Verbrennung ist die Betrachtung ihrer Wechselwirkung mit dem Direkt-Einspritzsystem. Das betrifft die Herstellung einer direkten Kopplung, sowie einer Rückkopplung zwischen den Eigenschaften des Einspritzstrahls und Modulation der Einspritzrate mit der Tropfenbewegungsrichtung, geschwindigkeit, -verdampfung und -verteilung innerh b des Brennraums. Das Einspritzsystem und die innere Gemischbildung sind dabei zunächst Gegenstand von separater, spezifischer Optimierung. Die optimierten Prozesse werden dann durch eine Rückkopplung von der Gemischbildung zum Einspritzsystem aneinander angepasst. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode für die wirkungsvolle Optimierung beider Module dar, die durch ein Direkteinspritzsystem mit Hochdruckmodulation belegt wird. Die Methode basiert auf der Anpassung der Prozesse innerhalb des Einspritzsystems, beziehungsweise während der Entwicklung des Strahls, der Gemischbildung und der Verbrennung, durch eine Rückkopplungsstrategie zwischen unterschiedlichen numerischen Simulationsprogrammen mit dem prozessspezifisch optimierten numerischen Modell für jedes Modul. Die Charakterisierung und die Optimierung des Einspritzsystems beziehungsweise der Eigenschaften des Einspritzstrahls wurden auf Basis des 1D-Codes AMESim durchgeführt. Die Analyse der Strahlentwicklung, der Gemischbildung und der Verbrennung wurde hauptsächlich mittels des 3D-Code FIRE durchgeführt. Für den Datenaustausch zwischen den beiden Codes wurde ein neues Element, das im Code AMESim integriert wurde, entwickelt. Für beide 1D- und 3D-Module wurde die Kalibrierung durch Messungen an einem hydraulischen und einem optischen Prüfstand bzw. am Motorprüfstand vorgenommen. Die Arbeit wurde auf die Optimierung von zwei Direkt-Einspritz-Konzepten fokussiert: - Ein Konzept mit einer Einspritzdüse und zwei seitlichen Zündkerzen - Ein neu entwickeltes Direkt-Einspritzkonzept mit zwei Einspritzdüsen pro Zylinder und einer Zündkerze (Doppeleinspritzung), zur besseren Unterstützung der Ladungsschichtung Besondere Aufmerksamkeit wurde in diesem Kontext der Optimierung der Strahleigenschaften, der Lage der Einspritzdüse(n) im Zylinderkopf, sowie der relativen Ausrichtung der Einspritzdüsen (bei der Doppeleinspritzung), des Zündzeitpunkts und der Zünddauer sowie der Zündkerzenposition geschenkt. Der letzte Teil der Arbeit ist als konkretes Ergebnis der Simulationsstrategie den experimentellen Untersuchungen am Motorprüfstand und am Fahrzeug, bei zahlreichen Kombinationen von Kenngrößen, gewidmet. Die zwei Konfigurationen der Benzin-Direkteinspritzung wurden dabei mit dem ursprünglichen, externen Gemischbildungskonzept verglichen. Die Ergebnisse bezüglich der hubraumbezogenen Leistung, des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission sowie des Beschleunigungsverhaltens stellen eine Referenz für moderne, kompakte Ottomotoren dar.
The development trends of advanced automobile engines towards high power-to-volume and power-to-mass ratios are partially in contradiction with the requirements regarding drastically reduced fuel consumption and pollutant emission. The development way of the engine between customer acceptance and limitations by law is mainly determined by the optimization of scavenging, mixture formation and combustion characteristics, as functional base for the engine design. The internal mixture formation by gasoline direct injection offers within an adaptable correlation with super-/turbo-charging, variable valve control and controlled autoignition a remarkable potential to improve the engine performance and to reduce the pollutant emission, due to the large possibilities of engine process control. However the control mechanisms of the process at speed or load variations are more complex and sensitive than for classical engines with SI external mixture formation. The key of adaptation of the internal mixture formation to the surrounding process sequences gas exchange, combustion is their interactive correlation with the direct injection system. This means a direct connection as well as a feed-back between spray characteristics and injection rate modulation with the droplet direction, velocity, vaporization and distribution within the combustion chamber. In other terms, both direct injection system and internal mixture formation are object of separate, specific optimization, but these optimized processes are to be adapted to each other generally by a feed-back from mixture formation to the injection system. This thesis presents a method for the effective optimization of both optimization modules, which is exemplified by a system with direct injection by high pressure modulation. The method is based on the coupling of the processes within the injection system respectively during the spray evolution, mixture formation and combustion, by a feed-back strategy between separate numerical simulations of the processes, using the most effective, specific model for each module. The characterization and optimization of the injection system respectively of the injection characteristics is performed using the 1D code AMESim. The analysis of the spray evolution, mixture formation and combustion is conducted mainly by mean of the 3D code FIRE. For the data exchange between the two codes a new element integrated in the code AMESim was developed. For both 1D and 3D modules the calibration is ensured by appropriate hydraulically and optically and test bench experimental analysis methods. The work is focused on the optimization of two direct injection concepts: - a concept with a single injector and two spark plugs and - a new direct injection concept with two injectors per cylinder and one spark plug (twin direct injection), for a better support of the stratified charge operation A particularly attention was paid in this context to the optimization of the spray characteristics, of the location of the injector(s) on the engine head as well as to the reciprocate injector location (in the case of the twin injection), the injection timing and duration and of the spark location. The last part of the work is dedicated as a concrete result of the simulation strategy to the compared engine and vehicle tests using different parameter combinations. The two GDI configurations are compared with the original external mixture formation concept in base of experimental analysis at the engine test bench and at the vehicle test bench as well as on road. The results regarding the power-to-volume ratio, the specific fuel consumption, the pollutant emission as well as the acceleration behavior represent a reference for advanced compact engines.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9741
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1371
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1074
Exam Date: 11-Feb-2005
Issue Date: 18-Mar-2005
Date Available: 18-Mar-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Benzin-Direkteinspritzung
Doppeleinspritzung
Drosselfrei
Numerische Simulation
Ottomotor
Schichtladung
Gasoline Direct Injection
Mixture Stratification
Numerical Simulation
Spark Ignition Engine
Twin Injection
Unthrottled
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_31.pdf10.39 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.