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Einfluss der Ladungsbewegung auf Gemischbildung und Entzündung bei Otto-Motoren mit homogenen Brennverfahren / Thomas Lauer
AuthorLauer, Thomas In der Gemeinsamen Normdatei der DNB nachschlagen
CensorGeringer, Bernhard ; Merker, Günter Peter
Published2007
DescriptionXI, 173 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2007
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Zsfassung in engl. Sprache
LanguageGerman
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Otto-Motor/ Verbrauchsreduzierung / Ladungsbewegung / Abgasrückführung / Turbulenz / Gemischaufbereitung / Zündung / Verbrennung / CFD-Simulation / Prozessrechnung
Keywords (EN)Spark ignition engine / Reduction of fuel consumption / Charge motion / Exhaust gas recirculation / Turbulence / Mixture Preparation / Ignition / Combustion / CFD-Simulation / Cycle-Simulation
Keywords (GND)Ottomotor / Gemischbildung / Zündung / Verbrennung / Numerische Strömungssimulation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-20467 Persistent Identifier (URN)
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Einfluss der Ladungsbewegung auf Gemischbildung und Entzündung bei Otto-Motoren mit homogenen Brennverfahren [3.88 mb]
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Abstract (German)

Der schonende Umgang mit den globalen Erdöl-Ressourcen und die Verträglichkeit von Umwelt und Verkehr stehen seit längerem im öffentlichen Interesse. Für den Otto-Motor besteht damit Handlungsbedarf hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission.

Bekanntermaßen ist im Bereich geringer Motorlasten die Entdrosselung des Saug-systems verbunden mit hohen Abgasrückführraten ein probates Mittel zur Absenkung des Kraftstoffverbrauchs. Hohe Restgaskonzentrationen führen jedoch zu einer verzögerten Verbrennung und höheren zyklische Schwankungen. Die gezielte Einbringung von Ladungsbewegung und Turbulenz in den Brennraum beschleunigt und stabilisiert wiederum ie Verbrennung, was die Kompensierung der aufgrund hoher Restgaskonzentrationen hervorgerufenen Effekte ermöglicht. Diese komplexen Zusammenhänge machen es wünschenswert, bereits während der Konzeptphase eine Bewertung der Restgastoleranz eines Brennverfahrens für den unteren Teillast-Bereich zu ermöglichen. Es war deshalb das Ziel dieser Arbeit, für Motoren mit homogenem Brennverfahren eine Berechnungsmethode auf Basis nu-merischer Simulation zu entwickeln, die unabhängig von der Zylinderinnenströmung eine Vorhersage der Laufgrenze des Brennverfahrens zulässt.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen mit Hilfe der CFD-Simulation bestätigten die beschleunigende Wirkung der Turbulenz auf die Verbrennung. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Ladungsbewegung die Gemischaufbereitung unterstützt, wobei Brennverfahren mit höchster Drall-Strömung eine vertikale Schichtung mit magerem Gemisch im Bereich der Zündkerze und damit eine geringere Restgastoleranz zur Folge hatten.

Durch die Analyse der berechneten Zustände der Zylinderladung mit Kennzahlen der Flammentheorie konnte rechnerisch ein Grenzwert für eine stabile Verbrennung bestimmt werden, der wiederum eine Voraussage der Restgasverträglichkeit des Brennverfahrens und damit des Potenzials zur Verbrauchsreduzierung ermöglichte. Ein Vergleich der mit diesem Verfahren gerechneten externen Abgasrückführraten mit am Motorenprüfstand gemessenen Werten zeigte eine gute Übereinstimmung. Trotz zu erwartender Verbesserungen im Bereich der Simulation von Strömung, Ge-mischaufbereitung und Verbrennung stellt die erarbeitete Methode in jedem Fall eine Möglichkeit dar, auf Basis herkömmlicher CFD-Rechnungen rasch und zuverlässig Vorhersagen zur Restgastoleranz homogener Brennverfahren zu liefern.

Abstract (English)

The wish to go easy on global oil-resources and the compatibility of environment and traffic are subject of public interest.

Therefore, measures must be taken for gasoline engines regarding fuel consumption and CO2-emissions.

The dethrottling of the intake system by means of residual gas recirculation is a well known measure to reduce the fuel consumption.

However, high residual gas concen-trations cause a delayed combustion and increased cyclic variations. The specific initiation of charge motion and turbulence in the combustion chamber accelerates and stabilizes the combustion and thus compensates the effects caused by high residual gas concentrations.

Because of these complex interactions it is desirable to have the possibility to evaluate the residual gas tolerance of the combustion process at low-load engine operation already during the concept phase.

Therefore, it was the aim of this study to develop a method based on numerical simulation that allows a prediction of the com-bustion stability margin for SI engines with homogeneous combustion for arbitrary in-cylinder flow.

Investigations that were carried out with the CFD-method confirmed the acceleration of the combustion with increased turbulence. Further the supporting effect of charge motion on mixture preparation could be pointed out. However, combustion processes with highest swirl-numbers caused a vertical mixture stratification in the combustion chamber with lean mixture at the spark plug resulting in a lower residual gas tolerance.

A threshold for a stable combustion could be determined by analyzing the properties of the cylinder charge by means of the flame theory method what further enabled the prediction of the residual gas tolerance of the combustion process and the potential to reduce the fuel consumption. A good correlation between the predicted values of the external residual gas recirculation rate and measurements at the engine test bench could be found.

Although improvements of the simulation of the turbulent flow, mixture preparation and combustion are to be expected the developed method is in any case a possibility to predict quickly and reliable the residual gas tolerance of homogeneous combustion processes.

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