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Herausgegeben von M. Bargende, Stuttgart, Deutschland H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart

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Herausgegeben vonM. Bargende, Stuttgart, DeutschlandH.-C. Reuss, Stuttgart, DeutschlandJ. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland

Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart

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Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Universi- tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr-zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen, Fahr- zeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus- arbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simulation. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten.Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensent-wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich-minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch- akustischen Fragestellungen.Themen der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwareent-wicklung sowie Test und Diagnose.Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unter- stützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimula-tor, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aero- akustikwindkanal.Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb-nisse der Forschungstätigkeiten am IVK.

Herausgegeben vonProf. Dr.-Ing. Michael BargendeLehrstuhl Fahrzeugantriebe,Institut für Verbrennungsmotoren undKraftfahrwesen, Universität StuttgartStuttgart, Deutschland

Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian ReussLehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik,Institut für Verbrennungsmotoren undKraftfahrwesen, Universität StuttgartStuttgart, Deutschland

Prof. Dr.-Ing. Jochen WiedemannLehrstuhl Kraftfahrwesen,Institut für Verbrennungsmotoren undKraftfahrwesen, Universität StuttgartStuttgart, Deutschland

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Katja Nording

Numerische Analyse der dieselmotorischen Gemisch bildung, Verbrennung und Emissionsentstehung

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Katja NordingStuttgart, Deutschland

Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart ISBN 978-3-658-17637-2 ISBN 978-3-658-17638-9 (eBook)DOI 10.1007/978-3-658-17638-9

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa-tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral.

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany

Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2016

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Vorwort

Die hier vorliegende Dissertation wurde bei der Daimler AG in Stuttgart Unter-türkheim in der Abteilung RD/RPE erstellt und durch Herr Prof. Dr. MichaelBargende vom Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Uni-versität Stuttgart betreut.

Herrn Prof. Dr. Michael Bargende danke ich für das Ermöglichen, die Unter-stützung und Förderung dieser Arbeit sowie die Übernahme des Hauptrefera-tes. Herrn Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos danke ich für das entgegenge-brachte Interesse an der Arbeit und die Übernahme des Koreferates.

Dem Teamleiter Herrn Dr. Christian Krüger und dem Abteilungsleiter HerrnDr. Bernd Krutzsch bin ich sehr dankbar dafür, dass sie mir die Chance gaben,meine Dissertation in dieser Abteilung anzufertigen.

Den Herren Dr. Ulrich Michels, Dr. Galin Nakov und Paul Wenzel danke ichfür die gute Einarbeitung zu Beginn meiner Promotionszeit, den Herren Dr.Martin Fritzsche, Dr. Johannes Ernst, Dr. Katsuyoshi Koyanagi und Dr. Matthi-as Blessing für die gute Zusammenarbeit und die zugrundeliegenden Messun-gen und Herrn Alexandros Hatzipanagiotou für die zielführenden Gesprächeam Ende meiner Promotionszeit.

Besonderer Dank gilt natürlich meiner Familie und meinen Freunden für ihreGeduld und ihr Verständnis während der Anfertigung dieser Arbeit.

Ostfildern Katja Nording

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VAbbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XITabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVIIAbkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIXNomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIIIKurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXVIIAbstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIX

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Phänomenologie der dieselmotorischen Verbrennung . . . . . . . 5

2.1 Düseninnenströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Strahlausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Gemischbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4 Zündung und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.5 Schadstoffbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Stand der Technik der dieselmotorischen

Verbrennungssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1 Strömungsmechanische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.1 Erhaltungsgleichungen für turbulente Strömungen . . . . . 273.1.2 Turbulenzmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.1.3 Die gemittelten Erhaltungsgleichungen . . . . . . . . . . . 34

3.2 Modellierung der Düseninnenströmung . . . . . . . . . . . . . . 353.2.1 Beschreibung von Mehrphasenströmungen . . . . . . . . . 353.2.2 HRIC („High-Resolution Interface-Capturing“) . . . . . . 363.2.3 Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 Strahlmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.1 Beschreibung der Gasphase . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.2 Beschreibung der dispersen Phase . . . . . . . . . . . . . 383.3.3 Lagrangesches Strahlmodell . . . . . . . . . . . . . . . . 39

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VIII Inhaltsverzeichnis

3.3.4 3D-Euler-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3.5 ICAS-Modell (1D-Euler-Modell) . . . . . . . . . . . . . . 433.3.6 Strahlausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4 Modellierung der Verbrennung und Schadstoffbildung . . . . . . 543.4.1 Modellierungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4.2 Erhaltungsgleichung des Mischungsbruchs und

dessen Varianz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.3 Selbstzündung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.4.4 Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.4.5 Rußbildung und -oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4 Analyse der Datenbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1 Experimentelle Datenbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.1.1 Messungen in der Hochdruck-/ Hochtemperaturkammer . . 654.1.2 Strahlkraftmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.1.3 Messungen unter motorischen Randbedingungen . . . . . 70

4.2 Numerische Analyse entsprechend bisherigem Stand der Technik 754.2.1 Ladungswechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.2.2 Düseninnenströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.2.3 Einspritzung, Verbrennung und Schadstoffbildung . . . . . 79

5 Detaillierung der Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1 Diskretisierung des Brennraumes . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.1.1 Detaillierte Netze inklusive der Ventiltaschen und

-rückstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.1.2 Einfluss der Netzfeinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.2 Strömungsinitialisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.2.1 Vorgehensweise zur Projektion des

Ladungswechselergebnisses auf das Verbrennungsnetz . . 935.2.2 Einfluss der Strömungsinitialisierung auf

Gemischbildung und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . 945.3 Kopplung von Düseninnenströmung und Einspritzstrahl . . . . . 97

5.3.1 Funktionalität der Kopplungsschnittstelle . . . . . . . . . 975.3.2 Analyse des Strahleindringverhaltens in der

Hochdruck-/Hochtemperaturkammer . . . . . . . . . . . . 995.3.3 Einfluss lokaler Düseneffekte unter motorischen

Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

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Inhaltsverzeichnis IX

6 Ergebnisse der Analyse der dieselmotorischen

Wirkmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.1 Einfluss der Strömungsinitialisierung . . . . . . . . . . . . . . . 1156.2 Auswirkung von Düseneffekten auf den Einspritzstrahl . . . . . 124

7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

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Abbildungsverzeichnis

1.1 Einflussgrößen und Prozesse der dieselmotorischenVerbrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Standardausprägungen von Sacklochdüsen. . . . . . . . . . . 62.2 Erläuterung der am Kavitationsprüfstand untersuchten

Düseninnenströmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Dampfdruckkurve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4 Schematische Darstellung von Düseninnenströmung,

Strahlausbreitung und Strahl-Wand-Interaktion imBrennraum von Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. . . . . 8

2.5 Vorstellungen des Primärzerfalls. . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6 Aerodynamische Zerfallsmechanismen. . . . . . . . . . . . . 122.7 Konkurrierende Instabilitäten im Katastrophen-Zerfallsregime. 132.8 Mögliche Endzustände einer binären Tropfenkollision. . . . . 152.9 Kollisionsbereiche für binäre Tropfenkollisionen. . . . . . . . 152.10 Turbulente Dispersionsregimes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.11 Prinzipbild der Tropfenverdampfung. . . . . . . . . . . . . . . 182.12 Strömungsstrukturen im dieselmotorischen Brennraum. . . . . 192.13 Exemplarischer Einspritz- und Brennverlauf im Dieselmotor. . 212.14 Einspritz- und Brennverlauf bei früher und später Verbrennung. 222.15 Quellterme für die Rußbildungsprozesse bei p = 50 bar und

0% AGR in Abhängigkeit von Oxidatortemperatur undMischungsbruch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.16 Quellterme für die Rußabbauprozesse bei p = 50 bar und0% AGR in Abhängigkeit von Oxidatortemperatur undMischungsbruch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.1 Diskretisierung von Mehrphasenströmungen am Beispielder Düseninnenströmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Das Tropfenensemble wird durch eine statistischeVerteilung beschrieben und durch stochastische Partikeldiskretisiert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Lagrange-Ansatz: Diskretisierung der Verteilungsfunktion. . . 433.4 Euler-Ansatz: Diskretisierung der Verteilungsfunktion. . . . . 433.5 Berechnungskonzept für die dieselmotorische Einspritzung. . . 44

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XII Abbildungsverzeichnis

3.6 Beispiel einer Gegenstrom-Diffusionsflamme, Projektionder Massenbrüche von Kraftstoff, Sauerstoff und Stickstoffin den Mischungsbruchraum bei Annahme einer nicht-reaktiven Strömung, Burke-Schumann-Lösung derReaktanden im Mischungsbruchraum für eine reaktiveStrömung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.7 Exemplarische Mischungstafel zur Bestimmung derKorrelation zwischen Temperatur und Mischungsbruch fürdas PDF-Zündmodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.8 Gemischbehandlung beim Mixing-Timescale-Modell und7-Spezies-PDF-Timescale-Modell. . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.1 Geometrie und Hydraulische Eigenschaften derverwendeten Sacklochdüse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2 Kombination von Schlieren- und Streulichtmesstechnik ander Hochdruck-/Hochtemperaturkammer. . . . . . . . . . . . 67

4.3 Auswertung der Schlieren-/Streulicht-Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißenKammer bei Variation des Raildrucks. . . . . . . . . . . . . . 68

4.5 Messprinzip der Strahlkraftmessung. . . . . . . . . . . . . . . 694.6 Einzylinder-Forschungsmotor als CAD-Modell. . . . . . . . . 714.7 Einlasskanäle des OM651 mit Position der EKAS-Klappe. . . 734.8 Ergebnisse aus dem Strömungslabor: Drallzahl und

Durchflusskennwert über dem EKAS-Klappenwinkel. . . . . . 734.9 Messtechnik am Einzylinder-Transparentmotor. . . . . . . . . 744.10 Simulationsergebnis des Drallzahlverlaufes während des

Ladungswechsels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.11 Strömungsgeschwindigkeit im Brennraum während der

Kompression bei geöffneter bzw. geschlossener Drallklappe. . 774.12 Netztopologie zur Simulation der Düseninnenströmung. . . . . 784.13 Geschwindigkeit und turbulente Längenskala für die

Sitzwinkelvarianten im Schnitt; Einspritzverlauf undNadelhubverlauf der drei Sitzwinkelvarianten. . . . . . . . . . 79

4.14 Sektornetz zur Simulation von Einspritzung, Verbrennungund Schadstoffbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.15 λ -Isoflächen während Einspritzung und Verbrennung. . . . . . 81

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Abbildungsverzeichnis XIII

5.1 Hexaedervollnetz zur Simulation von Einspritzung,Verbrennung und Schadstoffbildung. . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2 Kombiniertes Hexaeder-/Polyedervollnetz zur Simulationvon Einspritzung, Verbrennung und Schadstoffbildung. . . . . 84

5.3 Diskretisierungsnetze bei Variation des Aspect Ratio imDüsennahbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.4 Geschwindigkeit, Luftverhältnis, turbulente kinetischeEnergie und Dissipationsrate bei Variation des Aspect Ratioim Düsennahbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5.5 Geschwindigkeit, Luftverhältnis, turbulente kinetischeEnergie und Dissipationsrate bei Variation derGesamtparcelanzahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.6 Druck und Wärmefreisetzung im Brennraum bei Variationdes Aspect Ratio im Düsennahbereich. . . . . . . . . . . . . . 90

5.7 Druck und Wärmefreisetzung im Brennraum bei Variationder Gesamtparcelanzahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.8 Parcelanzahl pro Diskretisierungszelle bei Variation derGesamtparcelanzahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.9 Diskretisierungsnetze bei Variation der radialen und axialenAuflösung des strahlangepassten Bereiches. . . . . . . . . . . 91

5.10 Geschwindigkeit, Luftverhältnis, turbulente kinetischeEnergie und Dissipationsrate bei Variation der radialen undaxialen Auflösung des strahlangepassten Bereiches. . . . . . . 92

5.11 Druck und Wärmefreisetzung im Brennraum bei Variationder radialen und axialen Auflösung des strahlangepasstenBereichs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.12 Verlauf der Drallzahl, turbulenten kinetischen Energie,Dissipationsrate, Diffusivität während Kompression undVerbrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.13 Druck, Wärmefreisetzung und Diffusivität im Brennraum. . . 965.14 Luftverhältnis λ auf der Schnittfläche A-A (siehe

Abbildung 5.2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.15 Kraftstoffmassenbruch YKS auf der Schnittfläche A-A

(siehe Abbildung 5.2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.16 Lage des Düsennetzes im Verhältnis zum Brennraumnetz. . . . 975.17 Netze für die Simulation von Düseninnenströmung und

Einspritzstrahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

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XIV Abbildungsverzeichnis

5.18 Strömungsgeschwindigkeit und Kavitationsgebiet in derDüse bei der Raildruckvariation des Basispunktes in derheißen Kammer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.19 Strömungsfeld am Düsenaustritt. . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.20 Einfluss der Parcelanzahl N auf die Anzahl der Parcel/Zelle. . 1045.21 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißen

Kammer bei Variation der Parcelanzahl N. . . . . . . . . . . . 1045.22 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißen

Kammer bei Variation der Konstante Clt∗. . . . . . . . . . . . 1055.23 Vergleich der Tropfengrößen bei Variation der Konstante Clt∗. 1055.24 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißen

Kammer bei Variation des turbulenten Dispersionsmodells. . . 1055.25 Vergleich der Einspritzstrahlen bei Variation des

turbulenten Dispersionsmodells. . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.26 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißen

Kammer bei Variation des Zerfallsmodells. . . . . . . . . . . . 1075.27 Vergleich der Einspritzstrahlen bei Variation des

Zerfallsmodells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.28 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der kalten

Kammer bei Variation des Raildrucks. . . . . . . . . . . . . . 1085.29 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißen

Kammer bei Variation des Raildrucks. . . . . . . . . . . . . . 1085.30 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißen

Kammer bei Variation der Kammertemperatur. . . . . . . . . . 1095.31 Eindringverhalten des Einspritzstrahls in der heißen

Kammer bei Variation der Kammerdichte. . . . . . . . . . . . 1095.32 Vergleich des simulierten Strahls mit optischen Aufnahmen. . 1105.33 Einspritzstrahl bei Simulation mit 180°-Sektor. . . . . . . . . 1105.34 Zeitlicher Verlauf der Tropfengrößenverteilung für zwei

Positionen im Düsenaustritt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.35 Flüssigkeitsmassenbruch und Luftverhältnis λ während

Vor- und Haupteinspritzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.36 Druck und Wärmefreisetzung im Brennraum. . . . . . . . . . 113

6.1 Kanalkonzept und Ventilsitzbearbeitung bei Serien- undNulldrallzylinderkopf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.2 FSN-NOx-Trade-Off sowie Druckverlaufsanalyse derZylinderkopfvarianten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

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Abbildungsverzeichnis XV

6.3 Strömungsfeldauswertung durch Kreuzkorrelation zweieraufeinanderfolgender Transparentaggregataufnahmen bzw.Simulationsergebnis der Strömungsgeschwindigkeit fürSerien- und Nulldrallzylinderkopf. . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.4 λ -Isoflächen während Haupt- und Nachverbrennung derZylinderkopfvarianten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.5 Transparentaggregataufnahmen der Einspritzung derZylinderkopfvariation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.6 Transparentaggregataufnahmen der Vorverbrennung derZylinderkopfvariation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.7 Transparentaggregataufnahmen der Hauptverbrennung derZylinderkopfvariation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.8 Stromlinien im OT als Resultat derLadungswechselsimulationen der Zylinderkopfvarianten. . . . 122

6.9 Rußbildungs- und Rußoxidationsrate einesBrennraumsektors der Zylinderkopfvarianten. . . . . . . . . . 123

6.10 Rußbildungs- und Rußoxidationsrate derZylinderkopfvarianten (als Brennraum-Integral). . . . . . . . . 123

6.11 Düsengeometrien der Sitzwinkelvarianten der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.12 Ruß und Cd (gespiegelt) über dem Sitzwinkel. . . . . . . . . . 1256.13 Transparentaggregatergebnisse der Sitzwinkelvariation der

7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.14 Transparentaggregataufnahmen (mit offener Blende) der

Vor- und Haupteinspritzung der Sitzwinkelvariation der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.15 Kalt-Kammer-Aufnahmen der Haupteinspritzung derSitzwinkelvariation der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . 128

6.16 Aus Kalt-Kammer-Aufnahmen ermittelterStrahlkegelwinkel der Haupteinspritzung derSitzwinkelvariation der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . 128

6.17 Höhenwinkelvermessung der Sitzwinkelvariation der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.18 Einfluss des Höhenwinkels auf den Partikel-NOx-Trade-Off. . 1296.19 Schnitt durch die CAD-Geometrien der „mittleren

Düsenlöcher“ der Sitzwinkelvarianten. . . . . . . . . . . . . . 1306.20 λ -Isoflächen während Haupt- und Nachverbrennung der

Sitzwinkelvarianten der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . 132

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XVI Abbildungsverzeichnis

6.21 Rußbildungs- und Rußoxidationsrate einesBrennraumsektors der Sitzwinkelvarianten der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

6.22 Simulierte Strahleindringtiefe der Sitzwinkelvarianten der7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

6.23 Simulierter massengewichteter Höhenwinkel derSitzwinkelvarianten der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . 134

6.24 Schematische Darstellung der Zonenlambda-Definition. . . . . 1356.25 Luftverhältnis der Sitzwinkelvarianten der 7-Loch-

Injektoren in Mulde bzw. Quetschspalt. . . . . . . . . . . . . 135

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Tabellenverzeichnis

3.1 Koeffizienten des Standard-k-ε-Turbulenzmodells. . . . . . . . 32

4.1 Thermodynamische Zustände in der kalten und heißenKammer zur Analyse des Einspritzstrahls. . . . . . . . . . . . . 66

4.2 Motordaten und hydraulische Eigenschaften der Mini-Sacklochdüse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3 Versuchsbedingungen am Einzylindermotor. . . . . . . . . . . . 724.4 An Einzylinder- und Transparentmotor eingestellter

Betriebspunkt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.1 Netzvarianten zur Simulation von Einspritzung,Verbrennung und Schadstoffbildung. . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.2 Simulationsmatrix zur Validierung der Einspritzstrahlmodelle. . 1005.3 Netze und entsprechende Auswahl von Zeitschritt und

Parcelanzahl zur Analyse des Strahleindringverhaltens in derHochdruck-/Hochtemperaturkammer. . . . . . . . . . . . . . . 103

6.1 Vergleich von gemessener und simulierter Rußemission derZylinderkopfvarianten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.2 Analyse der CAD-Daten des „mittleren Düsenlochs“. . . . . . . 1306.3 Vergleich von gemessener und simulierter Rußemission der

Sitzwinkelvarianten der 7-Loch-Injektoren. . . . . . . . . . . . 131

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Abkürzungsverzeichnis

0D nulldimensional1D eindimensional2D zweidimensional3D dreidimensional

AGR Abgasrückführung

BPF BandpassfilterBR BaureiheBV Brennverlauf

CAD Computer-Aided Design (engl.)CDM Continuous Droplet Model (engl.)CFD Computational Fluid Dynamics (engl.)CFL Courant-Friedrichs-Lewy(-Bedingung)chem. chemisch

DDM Discrete Droplet Model (engl.)DIS DüseninnenströmungDisp. DispersionDRS Digital Rate Shaping (engl.)DrzOT Drallzahl im oberen Totpunkt

EKAS EinlasskanalabschaltungEV Einspritzverlauf

FSN Filter Smoke Number (engl.)

GGW Gleichgewicht

H50 Lage des 50%-Umsatzpunktes (aus dem Heizverlauf)HD hydraulischer DurchflussHE Haupteinspritzung; hydroerosivHRIC High-Resolution Interface-Capturing (engl.)

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XX Abkürzungsverzeichnis

ICAS Interactive-Cross-Section-Averaged-Spray (engl.)init. initialisiert

KL Laserextinktionsfaktorkonv. konventionellkorr. korrigiertKW Kurbelwinkel

L2F Laser 2-Focus Velocimeter (engl.)LA Lochanzahllam. laminarLIEF Laser-induced Exciplex Fluorescence (engl.)LW Ladungswechsel

NEFZ Neuer Europäischer FahrzyklusNFZ NutzfahrzeugNIR Infrarotlicht ("‘nahes Infrarot"’)NSK NOx-Speicherkatalysator

OM651 Modellbezeichnung des Vierzylinder-ReihendieselmotorsOT oberer Totpunkt

PDF Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (engl. "‘Probability Densi-ty Function"’)

physik. physikalischPIV Particle Image Velocimetry (engl.)PKW Personenkraftwagen

R.-D. Reitz-DiwakarRANS Reynolds-averaged Navier-Stokes (engl.)

SB SpritzbeginnSCR selektive katalytische Reduktion (engl. "‘Selective Catalytic

Reduction"’)SMD Sauter Mean Diameter (engl.)SMR Sauter Mean Radius (engl.)

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Abkürzungsverzeichnis XXI

T3 Temperatur vor Hochdruckturbineturb. turbulent

UT unterer Totpunkt

v2f Erweiterung des k-ε-TurbulenzmodellsVE VoreinspritzungVIS sichtbares Licht (engl. "‘visible"’)

zeitl. zeitlichZK ZylinderkopfZOT oberer Totpunkt zwischen Kompressions- und Arbeitstakt

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Nomenklatur

Römische Notationen

A Oberfläche, Fläche, Konstanteatr Tropfeneigenschaftb Stoßparameter zur Klassifizierung von Kollisi-

onsprozessenB StofftransferzahlB1 Konstante des ZerfallsmodellsC ModellkonstantenCd DurchflusskoeffizientCs Sutherland-Konstantecv Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Vo-

lumencw Widerstandsbeiwertd DurchmesserD DiffusionskoeffizientDa inverse aerodynamische RelaxationszeitE Empirischer KoeffizientEa Aktivierungsenergief VerteilungsfunktionF KraftFm Massenübergangsratefv Rußvolumenbruchh Enthalpieht Wärmeübergangskoeffizienthv Verdampfungswärmei Zählindex, Zellnummerj Zählindex�J Wärmeflussvektork turbulente kinetische EnergieK Faktor für die Konizität von Spritzlöchernlt turbulente Längenskalam Masse, Anzahlm MassenstromM Molare Masse, Impuls

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XXIV Nomenklatur

mt Massenübergangskoeffizientn AnzahlN AnzahlNu Nusselt-ZahlOh Ohnesorge-Zahlp Druck, ZufallszahlP WahrscheinlichkeitsdichtefunktionPrt turbulente Prandtl-Zahlq Zufallszahlq Wärmestromr RadiusR Radius, spezifische GaskonstanteRe Reynolds-Zahls QuelltermS QuelltermSct turbulente Schmidt-ZahlSh Sherwood-ZahlSt Stokes-Zahlt ZeitT TemperaturTa Taylor-Zahlu Geschwindigkeit�u Geschwindigkeitsvektor (u,v,w)u+ Dimensionslose Geschwindigkeitv GeschwindigkeitV Volumen�vm DiffusionsgeschwindigkeitWe Weber-Zahlx Entfernung, Anzahl�x Ortsvektor (x,y,z)y WandabstandY Massenbruchy+ Dimensionsloser WandabstandZ MischungsbruchZ j Elementmassenbruch

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Nomenklatur XXV

Griechische Notationen

α Volumenfraktion, Koeffizientχ Dissipationsrateδi j Einheitsmatrixε Empirische Konstante, turbulente Dissipations-

rateΓ Transportkonstanteκ von Karman-Konstanteλ Wärmeleitfähigkeit, LuftverhältnisΛ Wellenlängeλk mittlere freie Weglängeμ dynamische Viskositätν kinematische Viskosität, Diffusivitätω ReaktionsrateΦ Strömungsgrößeψ Gaußsche Wahrscheinlichkeitsfunktion, Höhen-

winkelρ Dichteσ Spannung, Oberflächenspannung, Standardab-

weichungσk turbulente Prandtl-Zahl für kσε turbulente Prandtl-Zahl für ετ Zeitskalaτw Wandschubspannung

Sonstige Zeichen und Indizes

∂ Partielle AbleitungΔ Nabla-Operatorℜ Universelle Gaskonstante0 Umgebunga aerodynamisch, außenBr Brennstoffc chemischchem chemischCR Common Raild Dampf

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XXVI Nomenklatur

D DampfE Einspritzung, Elementeff effektiveq Gleichgewicht/Gleichgewichtszustandf l Flüssigkeit/Flüssigphasef r Fragmentierungg Gasphasei Impuls, Spezies- oder Skalar-Index, innenI bei Initialisierung, initialign ZündungK Kammerkonv konvektivKS Kraftstoffm Massemax maximalO Oberflächeow Oberflächenwachstumox Oxidationp DruckP Parcelpb Partikelbildungr Relaxation, RußR Railref Referenzzustandrel relativs StrahlS Stoff, Sättigungst stöchiometrischt tangential (zur Wand), turbulenttr Tropfenturb turbulentw Wand, Wandwärme, Widerstand

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Kurzfassung

Oberstes Ziel bei der Entwicklung von Dieselmotoren ist die weitere Redu-zierung von Emissionen und Verbrauch. Die 3D-Strömungssimulation trägt zueinem verbesserten Verständnis der innermotorischen Wirkmechanismen bei.Damit bietet sie bereits in der frühen Konzeptphase der Brennverfahrensent-wicklung die Möglichkeit, zielführende Varianten bei geringem Kosten- undZeitaufwand zu ermitteln. Die korrekte Beschreibung der Strömung im Brenn-raum während der Einspritzung sowie der Einflussfaktoren auf das Eindring-verhalten der Einspritzstrahlen ist entscheidend für die Verteilung des Kraft-stoff-Luft-Gemisches im Brennraum und damit für den Ablauf der Verbren-nung und die Emissionsentstehung.

Durch die sehr unterschiedlichen Dimensionen von Brennraum und Düsen-löchern und die Notwendigkeit strahladaptiv vernetzter Bereiche ist es nichtmöglich, Ladungswechsel, Einspritzung und Verbrennung auf demselben Dis-kretisierungsnetz zu simulieren. Deshalb wird in dieser Arbeit eine neue Simu-lationsprozesskette entwickelt, die die Kopplung der drei Simulationen erlaubt.Hierbei wird das nach dem Ladungswechsel im Brennraum vorliegende Strö-mungsfeld zur Initialisierung der Gemischbildungs- und Verbrennungssimu-lation auf das Brennraumnetz projiziert. Für die Initialisierung der Einspritz-strahlen wird ebenfalls der Düsenaustritt lokal aufgelöst, indem das Ergebniseiner Düseninnenströmungssimulation genutzt wird.

Der wesentliche Baustein, der diese Vorgehensweise ermöglicht, ist eine neuentwickelte Methodik für die Vernetzung des Brennraumes: Die strahladapti-ven Bereiche werden mit Hexaederzellen vernetzt, der übrige Brennraum mitPolyederzellen aufgefüllt. Durch die Einführung von Prismenzellschichten aneiner vorgegebenen Trennfläche wird die Kolbenbewegung realisiert (siehe Ab-bildung 0.1).

Ergebnis der neuen Simulationsmethodik ist ein realistisches Drall- und Turbu-lenzniveau, das bei der Initialisierung einer Drallströmung mit idealer zentra-ler Achse oder gar durch den Einsatz von Sektornetzen nicht erreicht werdenkann.

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XXVIII Kurzfassung

A A

A-A

20°KW vor OT

Abbildung 0.1: Kombiniertes Hexaeder-/Polyedervollnetz zur Simulation von Ein-spritzung, Verbrennung und Schadstoffbildung (im Schnitt) [58].

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Abstract

Main goal of the development of diesel engines is the further reduction of emis-sion formation and fuel consumption. CFD-Simulation of the gas exchangeand combustion leads to a better understanding of the inner engine mecha-nisms. So simulation offers the opportunity to realize ambitious configurationsat low cost and time effort. The flow field during fuel injection as well as thepenetration behavior of the fuel jets have a significant influence on the mixtureformation and therefore also on the fuel conversion and emission formation.

Due to the wide difference between the dimensions of the nozzle holes andthe combustion chamber, it is not reasonable to use the same discretization forinternal nozzle flow and combustion simulation. The need for spray adaptivemesh regions for the simulation of the spray penetration also suggests the sepa-rate simulation of gas exchange and injection/combustion. The present thesisdescribes a tool chain for the simulation of the whole process of diesel com-bustion, including these three simulations - gas exchange, internal nozzle flow,mixture formation/combustion - coupled by interfaces. The first interface hand-les the mapping of the gas exchange flow field onto the combustion mesh, thesecond interface accounts for local flow effects at the nozzle orifice as localboundary condition for the spray initialization.

An important component, which enables this approach, is a new developedmeshing methodology for the combustion chamber: The spray aligned regionsare meshed by hexahedral cells; the rest of the combustion chamber gets filledwith polyhedral cells. The piston motion is realized by adding or deleting prismcell layers at a separation plane through the polyhedral cells (see figure 0.2).

Without mapping the gas exchange flow field onto the combustion mesh norconsidering any geometry details, it is not possible to initialize a realistic flowfield. Turbulence is fading away in a homogenous flow field. In contrast, it wasfound that the new tool chain leads to a realistic turbulent kinetic energy andswirl level.

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XXX Abstract

A A

A-A

20°KW vor OT

Abbildung 0.2: Combined hexahedral/polyhedral mesh for the simulation of injec-tion, combustion and emission formation (represented in section)[58].