Approach for modelling the initiation process of low-speed pre-ignition in downsized SI-engines

Abstract

Um die scharfen CO2 Grenzwerte mit modernen Ottomotoren einhalten zu können, haben sich Downsizing-Konzepte mit Direkteinspritzung und Turboaufladung als wirkungsvoll erwiesen. Speziell bei niedriger Drehzahl und hoher Last können jedoch frühzeitige Selbstzündungen deutlich vor dem regulären Zündzeitpunkt auftreten. Die daraus resultierende stark klopfende Verbrennung kann bereits innerhalb kürzester Zeit zum Motorschaden führen. Vorangegangene Studien zum Thema Vorentflammung weisen darauf hin, dass abgelöste Schmierstoff- bzw. Kraftstofftropfen als wahrscheinlichste Ursache in Frage kommen. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen systematischen Ansatz zur Untersuchung der gesamten Vorentflammungs-Prozesskette, die durch Tropfen ausgelöst wird. Mittels optischer Messtechnik aufgenommene Vorentflammungsvorgänge dienen als Grundlage zur Ableitung eines geeigneten Modellierungsansatzes. Um sowohl die physikalischen, als auch die chemischen Vorgänge, die zur vorzeitigen Zündung führen, berücksichtigen zu können, werden Motorprozessrechnungen, 3D-CFD Simulationen und Reaktionskinetikmodelle kombiniert eingesetzt. Um das detaillierte Verdampfungsverhalten von Kraftstoff und Öl in der heißen Zylinderladung abzubilden, werden Mehrkomponenten-Kraftstoffmodelle eingeführt. Eine kritische Wandbenetzung, die zu einer Verdünnung des Schmierfilms am Zylinderrohr führt, wird in Hinblick auf eine potentielle Ablösung von Tropfen untersucht. Die räumliche Verteilung abgelöster Tropfen wird ausgewertet, um die Wahrscheinlichkeit zu ermitteln, mit der sie als Zündquelle dienen können. Um die komplexen und weitgehend unbekannten Reaktionen bei der Selbstzündung von Öl abbilden zu können, wird ein Ansatz auf Basis detaillierter Reaktionskinetik vorgestellt. Ein Abgleich mit RCM-Einzeltropfenexperimenten ermöglicht die Bestimmung vorentflammungskritischer Ölkonzentrationen. Mit einem statistischen Ansatz wird zudem der Einfluss des Tropfen-Ablösezeitpunkts auf die resultierenden Ölkonzentrationen bewertet. Mit Hilfe der Simulationsmodelle konnte verdeutlicht werden, dass die Tropfentemperatur, die sich während der Kompression einstellt, weitgehend unabhängig vom Ablösezeitpunkt ist. Die Tropfengröße und die Ladungstemperatur zeigen sich hingegen als bestimmende Größen für die Verdampfungsneigung des Tropfens. Es wurde festgestellt, dass kritische Ölkonzentrationen für eine vorzeitige Selbstzündung nur von Tropfen erreicht wird, die innerhalb eines bestimmten Durchmesserbereichs liegen. Früheste Vorentflammungen hingegen können ausschließlich durch Tropfen verursacht werden, die sehr nahe an einem kritischen Durchmesser liegen. Dadurch konnte erklärt werden, warum frühe Vorentflammungen generell selten auftreten und die Wahrscheinlichkeit für spätere Zeitpunkte deutlich höher liegt. Der dargestellte Modellierungsansatz erlaubt eine detaillierte Untersuchung der einzelnen Teilprozesse in zur Entstehung von Vorentflammungen führen. Im Motorentwicklungsprozess kann er dazu verwendet werden, um die Vorentflammungsneigung neuer Ottomotoren bereits in der Konzeptphase bewerten zu können.

For spark ignited engines, a low fuel consumption demands advanced operation strategies. A step towards future CO2 emission limits are downsized gasoline engines with direct injection and high boost pressures. Experiences so far showed that at high loads and particularly at low engine speeds, spontaneous pre-ignitions randomly occur already before the regular spark timing. The resulting super-knocking combustion can lead to severe engine damage already after a single event. Previous activities on the pre-ignition phenomenon suggest that the presence of separated oil or oil-fuel droplets is the most probable explanation for the observed pre-ignition events. This work comprises a systematic study of the entire process chain leading to droplet induced pre-ignition. High-speed images of pre ignition events recorded with optical diagnostics are interpreted to describe the spatial characteristics of the autoignition processes and to derive an appropriate modelling approach. For that reason, engine process simulation, 3D CFD simulation and reaction kinetic models are combined to account for the physical as well as the chemical processes leading to a premature ignition of the charge. The detailed evaporation behaviour of fuel and oil in the hot cylinder charge is considered by introducing multi-component surrogate fluids for CFD. Due to the obvious importance of wall film regarding pre-ignition, a considerable effort is invested to gain a realistic representation of the fuel impingement process. Critical wall wetting leading to oil dilution is further analysed in view of a potential separation of oil fuel droplets. The resulting dispersion of such droplets and their probability to survive until compression-end and to serve as an igniting spot is investigated. An approach is developed to capture the complex autoignition behaviour of oil with detailed chemical kinetics. A calibration with experimental single droplet studies is conducted to allow statements about the critical oil vapour fraction which is necessary for pre ignition. Furthermore, a statistical approach is employed to evaluate the impact of the droplet separation timing on the probability for high oil evaporation rates. It was found that the drop temperatures adjusting towards TDC are largely independent on the moment of droplet entrainment. In fact, the drop size and the gas temperatures during compression are the determining factors for the droplet thermal state at a potential pre ignition timing. The resulting local oil fractions originating from the evaporating droplet were further evaluated. It was shown that critical conditions for a premature ignition are most likely met by droplets lying within a defined diameter range. Earliest pre-ignition, however, could exclusively be stated for drop sizes lying close to a specific critical diameter. This explains why early events are generally observed extremely rare at the test bench and a significantly higher pre ignition probability is stated towards TDC. The presented method and the validated numerical models allow a detailed investigation of each sub-process leading to pre ignition. In addition, it can be adopted as a development procedure to study the pre ignition tendency of future SI engines already in the early concept phase.