Combustion modeling for diesel engine control design [Elektronische Ressource] / Christian Felsch

Christian Felsch

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 40
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Combustion Modeling for
Diesel Engine Control Design
Von der Fakult¨at fu¨r Maschinenwesen der
Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Christian Felsch
aus Neuss
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. N. Peters
Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Abel
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 27. August 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfu¨gbar.WICHTIG: D 82 überprüfen !!!
Berichte aus der Energietechnik
Christian Felsch
Combustion Modeling for
Diesel Engine Control Design
Shaker Verlag
Aachen 2009Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek
The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche
Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at
http://dnb.d-nb.de.
Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2009)
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Printed in Germany.
ISBN 978-3-8322-8545-6
ISSN 0945-0726
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Phone: [phone] Telefax: 0049/2407/9596-9
Internet: www.shaker.de e-mail: [e-mail]/Preface
DieseArbeitentstand w¨ahrendmeinerT¨atigkeitalswissenschaftlicher Mitarbeiter
amInstitutfu¨rTechnischeVerbrennung(ehemalsInstitutfu¨rTechnischeMechanik)
der RWTH Aachen University. Sie wurde im Rahmen des Teilprojekts B1 Mo-
dellreduktion bei Niedertemperatur-Brennverfahren durch CFD-Simulationen und
Mehrzonen-Modelle im Sonderforschungsbereich 686 Modellbasierte Regelung der
homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung durchgefu¨hrt, der an der RWTH
Aachen University und der Universit¨at Bielefeld bearbeitet wird. Der Deutschen
Forschungsgemeinschaft danke ich in diesem Zusammenhang fu¨r die finanzielle
F¨orderung.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Norbert
Petersfu¨rseineUnterstu¨tzung,seinekritischenAnmerkungenunddiemirgew¨ahrte
Freiheit. Herrn Professor Dr.-Ing. Dirk Abel danke ich fu¨r sein stetiges Interesse
an meiner Arbeit und fu¨r die T¨atigkeit als weiterer Berichter. Herrn Professor
¨Dr.-Ing. (USA) Stefan Pischinger danke ich fu¨r die Ubernahme des Vorsitzes der
Pru¨fungskommission.
Ausdru¨cklich m¨ochte ich mich beiJeremy Weckering, VivakLuckhchoura, Michael
Gauding, Bernhard Jochim, BrunoKerschgens, Christoph Glawe, Johannes Kepp-
ner, Hanno Friederichs, Benedikt Sonntag und Abhinav Sharma bedanken, die
mich durch ihre Studien- oder Diplomarbeiten bzw. durch ihre Arbeit als wissen-
schaftliche Hilfskr¨afte tatkr¨aftig unterstu¨tzt haben. Außerdem gilt mein Dank
allen jetzigen und ehemaligen Mitarbeitern des Instituts fu¨r Technische Verbren-
nung, die ebenfalls zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Ich bedanke
mich bei Christian Hasse, Stefan Vogel, Jost Weber, Frank Freikamp, Jens Ewald,
Peter Spiekermann, Sylvie Honnet, Elmar Riesmeier, Christoph Kortschik, Sven
Jerzembeck, Rainer Dahms, Anyelo Vanegas, Olaf R¨ohl, Peng Zeng, Joachim
Beeckmann, Hyun Woo Won, Klaus-Dieter Stoehr, Jens Henrik G¨obbert, Tomoya
Wada, Lipo Wang, Stefanie Bordihn, Sonja Engels, Yvonne Lichtenfeld, Dieter
Osthoff, Bernd Binninger und Gu¨nter Paczko.
Daru¨ber hinaus bedanke ich mich sehr bei Peter Drews und vor allem bei Kai
Hoffmann vom Institut fu¨r Regelungstechnik der RWTH Aachen University fu¨r
die hervorragende Zusammenarbeit im Sonderforschungsbereich 686.
iiiI would like to thank Andreas Lippert for making my research stays at General
Motors R&D in Warren, MI, USA, possible. Furthermore, I would like thank
Tom Sloane, Jaehoon Han, Mark Huebler, Brian Peterson, Vinod Natarajan, and
Carl-Anders Hergart for our good collaboration there. Thanks are also due to
Nicole Wermuth of General Motors R&D for providing the experimental data on
the HCCI engine. My most sincere thanks go to Hardo Barths of General Motors
Powertrain, who provided me with valuable advice and ideas in numerous helpful
discussions.
Bei meinen Freunden Tobias Kr¨ockel, Torsten Moll, Simon Frischemeier, Adam
Gacka und Martin Ross bedanke ich mich fu¨r unseren gemeinsamen Spaß am
Maschinenbau.
Ein großer Dank gilt meinen Eltern, die mich in jeder Phase meiner Ausbildung
unterstu¨tzt und motiviert haben.
Meiner Freundin Kathrin Borggrebe danke ich ebenfalls sehr fu¨r ihre außeror-
dentliche Unterstu¨tzung, auf die ich mich immer verlassen konnte.
Aachen, im August 2009
Christian Felsch
ivCombustion Modeling for
Diesel Engine Control Design
Zusammenfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist zun¨achst die Entwicklung eines konsistenten Mi-
schungsmodells fu¨r die interaktive Kopplung eines CFD-Codes und eines auf
mehreren nulldimensionalen Reaktoren basierenden Mehrzonenmodells. Das in-
teraktiv gekoppelte Modell erm¨oglicht eine rechenzeit-effiziente Modellierung von
HCCI-undPCCI-Verbrennung. DerphysikalischeBereichimCFD-Codewirdmit-
tels dreier Phasenvariablen (Mischungsbruch, Verdu¨nnung und totale Enthalpie)
in mehrere Zonen unterteilt. Die Phasenvariablen reichen aus, um den ther-
modynamischen Zustand jeder Zone zu definieren, da diese denselben Druck
aufweisen. Jede Zone im CFD-Code wird durch eine korrespondierende Zone im
nulldimensionalen Code abgebildet. Das Mehrzonenmodell l¨ost die Chemie fu¨r
jede Zone, und die W¨armefreisetzung wird zum CFD-Code zuru¨ckgefu¨hrt. Die
Schwierigkeit bei dieser Methodik liegt darin, den thermodynamischen Zustand
jeder Zone zwischen CFD-Code und nulldimensionalem Code konsistent zu hal-
ten, nachdem die Initialisierung der Zonen im Mehrzonenmodell stattgefunden
hat. Der thermodynamische Zustand jeder Zone (und daher auch die Phasen-
variablen) ver¨andert sich mit der Zeit aufgrund von Mischung und Quelltermen
(z.B. Verdampfung des Brennstoffs, Wandw¨armetransfer). Der Fokus dieser Ar-
beit liegt auf einer einheitlichen Beschreibung der Mischung zwischen den Zonen
im Phasenraum des nulldimensionalen Codes, basierend auf der L¨osung des CFD-
Codes. Zwei Mischungsmodelle mit unterschiedlichen Stufen von Genauigkeit,
Komplexit¨at und numerischem Aufwand werden beschrieben. Das am besten
ausgearbeitete Mischungsmodell (sowie eine angemessene Behandlung der Quell-
terme) h¨alt den thermodynamischen Zustand der Zonen im CFD-Code und im
nulldimensionalen Code identisch. Die Modelle werden auf einen Testfall der
HCCI-Verbrennung in einem Benzinmotor angewandt. Von dort ausgehend wird
ein Simulationsmodell fu¨rPCCI-Verbrennung erstellt, welches fu¨rdie Entwicklung
geschlossener Regelkreise verwendet werden kann. Fu¨rden Hochdruckteil des Mo-
torzyklus’ wird das interaktiv gekoppelte CFD-Mehrzonenmodell systematisch zu
einem eigenst¨andigen Mehrzonenmodell reduziert. Das eigenst¨andige Mehrzonen-
modell wirdum ein Mittelwertmodell erg¨anzt, welches die Ladungswechselverluste
beru¨cksichtigt. Das resultierende Modell ist in der Lage, PCCI-Verbrennung mit
station¨arer Genauigkeit zu beschreiben und ist gleichzeitig sehr effizient bezu¨glich
der ben¨otigten Rechenzeit. Das Modell wird weiterhin um eine identifizierte Sys-
temdynamik erweitert, welche die station¨aren Stellgr¨oßen beeinflusst. Zu diesem
vZweck wird ein Wiener-Modell erstellt, welches das station¨are Modell als eine
nichtlineare Systemabbildung verwendet. Auf diese Weise wird ein dynamisches
nichtlineares Modell zur Abbildung der Regelstrecke Dieselmotor entworfen.
viCombustion Modeling for
Diesel Engine Control Design
Abstract
This thesis deals at first with the development of a consistent mixing model for
the interactive coupling (two-way-coupling) of a CFD code and a multi-zone code
based on multiple zero-dimensional reactors. The interactive coupling allows for
a computationally efficient modeling of HCCI or PCCI combustion, respectively.
The physical domain in the CFD code is subdivided into multiple zones based on
three phase variables (fuel mixture fraction, dilution, and total enthalpy). These
phase variables are sufficient for the description of the thermodynamic state of
each zone, assuming thateach zoneis atthesame pressure. Each zone inthe CFD
code is represented by a corresponding one in the zero-dimensional code. The
zero-dimensional code solves the chemistry for each zone, and the heat release is
fed back into the CFD code. The difficulty in facing this kind of methodology is
to keep the thermodynamic state of each zone consistent between the CFD code
and the zero-dimensional code after the initialization of the zones in the multi-
zone code has taken place. The thermodynamic state of each zone (and thereby
the phase variables) changes in time due to mixing and so