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Modeling of combustion in spray-guided spark-ignition engines [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Rainer Norbert Uwe Dahms

De
168 pages
Modeling of Combustion inSpray-Guided Spark-Ignition EnginesRainer DahmsModeling of Combustion inSpray-Guided Spark-Ignition EnginesVon der Fakultat¨ fur¨ Maschinenwesen derRheinisch-Westfalischen¨ Technischen Hochschule Aachenzur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors derIngenieurwissenschaften genehmigte Dissertationvorgelegt vonDiplom-IngenieurRainer Norbert Uwe DahmsBerichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. N. PetersUniv Dr.-Ing. (USA) S. PischingerTag der mundlichen¨ Prufung:¨ 25.03.2010Diese Dissertation ist auf den Internetseitender Hochschulbibliothek online verfugbar¨ToParisaVorwort/PrefaceThis work was conducted during my position as a research assistant at the Institute forCombustion Technology (German Institut fur¨ Technische Verbrennung; until August 1st,2005 named Institut fur¨ Technische Mechanik) at RWTH Aachen University, Germany.First of all, I am indebted to University-Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr. E.h. NorbertPeters for his supervision and the fruitful discussions. Additionally, I would like tothank University-Professor Dr.-Ing. (USA) Stefan Pischinger for being the co-examinerof this work and University-Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schroder¨ for serving as chairof my doctoral examination.I greatly thank the General Motor Company for the financial support of this researchproject. Furthermore, I am greatly indebted to Dr. Todd D. Fansler and Dr. MichaelC.
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Modeling of Combustion in
Spray-Guided Spark-Ignition Engines
Rainer DahmsModeling of Combustion in
Spray-Guided Spark-Ignition Engines
Von der Fakultat¨ fur¨ Maschinenwesen der
Rheinisch-Westfalischen¨ Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Rainer Norbert Uwe Dahms
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. N. Peters
Univ Dr.-Ing. (USA) S. Pischinger
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 25.03.2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfugbar¨ToParisaVorwort/Preface
This work was conducted during my position as a research assistant at the Institute for
Combustion Technology (German Institut fur¨ Technische Verbrennung; until August 1st,
2005 named Institut fur¨ Technische Mechanik) at RWTH Aachen University, Germany.
First of all, I am indebted to University-Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr. E.h. Norbert
Peters for his supervision and the fruitful discussions. Additionally, I would like to
thank University-Professor Dr.-Ing. (USA) Stefan Pischinger for being the co-examiner
of this work and University-Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schroder¨ for serving as chair
of my doctoral examination.
I greatly thank the General Motor Company for the financial support of this research
project. Furthermore, I am greatly indebted to Dr. Todd D. Fansler and Dr. Michael
C. Drake from the Propulsion Systems Research Laboratory of the General Motors Re-
search and Development division in Warren, Michigan, U.S.A. for the supply of ex-
perimental engine data and their invaluable advice during my research. I also like to
thank Dr. Tang-Wei Kuo, Dr. Ronald Grover and Dr. Mark S. Huebler from the same
group for their support and their hospitality during my stays at their research facility.
Thanks also to Dr. Andreas M. Lippert from GE Global Research Europe (formerly
GM R&D department in Warren, MI, U.S.A.) for his commitment and ongoing interest
in my work. I also like to express my gratitude to Dr. Donald W. Stanton from Cummins
Inc. for providing experimental engine data and for the financial support of this work.
Also, I like to thank my colleagues at the institute, especially Gunter¨ Paczko, for the
collaboration and rich discussions.
Special thanks go to my parents for their steady support, helpful advice, and their
parental care over the whole time. But my greatest thanks are dedicated to my wife
Parisa. Her presence has inspired by work and provided me with enduring motivation.Modeling of Combustion in
Spray-Guided Spark-Ignition Engines
Zusammenfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung von detailierten physikalischen Mod-
ellen zur Beschreibung des drei-dimensionalen Verbrennungsprozesses in modernen
¨ ¨strahlgefuhrten Ottomotoren. Besondere Beachtung gilt dabei dem Zundprozess, bei
dem komplexe Interaktionen von Brennstoffeinspritzung, Zundung¨ und der fruhen¨
Flammenentwicklung wiederzugeben sind.
In strahlgefuhrten¨ Ottomotoren wird der uberwie¨ gende Teil des stark geschichteten
Brennstoff/Luft-Gemisches von einer sich ausbreitenden turbulenten Flammenfront
umgesetzt. Zur Modellierung dieser dient das Konzept der G-Gleichung, bei der die
Propagation der Flamme mittels einer kinematischen Bewegungsgleichung fur¨ dessen
Oberflache¨ simuliert wird. Die Bewegung resultiert aus der Stromungsgeschwindigk¨ eit
einerseits und der turbulenten Brenngeschwindigkeit, die die Brennrate modelliert, an-
dererseits.
Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Zunachst¨ werden nach der Einleitung im zweiten
Kapitel die Erhaltungsgleichungen der Stromungsmechanik¨ mit dem verwendeten Tur-
bulenzmodell angegeben. Danach werden im dritten und vierten Kapitel die Grundla-
gen und Modellkonzepte fur¨ turbulente Flammenpropagation und Selbstzundung¨ disku-
tiert. Im funften¨ Kapitel wird das entwickelte Zundmodell¨ fur¨ strahlgefuhrte¨ Ottomo-
toren vorgestellt. Dort werden die bereits vorgestellten Grundlagen wieder aufgenom-
men und erweitert, um die Selbstzundung¨ des Gemisches entlang des Zundfunk¨ ens zu
beschreiben. Dieser Zundung¨ folgt eine erst quasi-laminare und dann schließlich turbu-
lente Flammenausbreitung. Im sechsten Kapitel wird die numerische Implementierung
des Verbrennungsmodell in den verwendeten 3D CFD code erlautert¨ und validiert. Da-
rauf folgt im siebten Kapitel die Validierung des Verbrennungsmodells selbst an experi-
mentellen Daten von vorgemischter turbulenter Verbrennung in einem Zylinder konstan-
ten Volumens und in einem Erdgas-Ottomotor. Im achten Kapitel wird das entwickelte
Modell zur Simulation der Verbrennung in einem strahlgefuhrten¨ Ottomotor eingesetzt
und qualitativ und quantitativ mit Meßdaten und Flammenaufnahmen verglichen. Die
Arbeit schließt mit einer Diskussion der Ergebnisse und einem Ausblick ab.

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