Numerical and experimental study of flame propagation and knock in a compressed natural gas engine

Abstract

One of the major objectives during the development process ofnew products is to reduce costs and time to market. Increasing computational power and continuous improvements of modeis for internal combustion engine applications show promise with respect to replacement of some optimisation Steps by Computer simulations. A prerequisite for such a Substitution is that trends can be reasonably predictedand that calculations adequately incorporatethe physics. The flame propagation and the knock behaviour of compressed natural gas engines have been studied in the present work. The aim is to improve the physical understanding on one hand and to develop physically based modeis for cycle Simulation tools on the other hand. These modeis have been used to optimise a new engine concept which combines ultra-low emissions, high efficiency and driveability. An empirical combustion model based on experimentally determined burn rate curves has been developed to predict the engine behaviour for a wide ränge of operating conditions. It was found that global qualitative trends can be predicted quite well. Some relevant parameters characterising the combustion process - the crank angle at 5% burned, the crank angle at 50% burned and the burn duration defined as 5% to 90% burned - have been computed and compared with experimental data. The limitations of such a model have been shown by evaluating this model for a different combustion chamber geometry and various operating conditions. Therefore,a new model based on physical formulations has been developed. The phenomenological combustion model dedicated to compressed natural gas engines developed in this work can be used for projections and addionally to support the understanding of experimental results. A characteristic mean flame front area has been defined by applying some submodels describing the laminar flame speed, the turbulent flame speed and the turbulence intensity. Furthermore, the expansion factor describing the flame propagation due to the ratio of the densities of burned and unburned mixture has been considered. Good agreements between experimental data and computedresults have been observed by applying this model to a different combustion chamber geometry. The characteristic mean flame front area was redefined for these new geometrical properties. It was shown, that the new flame front area can be approximated based on considerations concerning flame propagation and based on the known mean flame front area. Research and development activities often focus on increasing the efficiency of spark ignited engines, but many modifications leading to higher engine efficiency in part load operation lead to higher risk of knock occurrence at füll load operation. These contradictory requirements clearly indicate the necessity of accurate physical formulations of the knock phenomena. The model developed in this work is based on a one step chemistry approach leading to the so called knock integral method. Due to the varying gas composition of compressed natural gas five well-defined compositions of synthetic gases have been tested to investigate the infiuence of the individual components. Furthermore, the model considers different operating conditions of an engine meaning that intake pressure, intake temperature, engine speed and spark timing have been varied. The differentiation between non-knocking and knocking combustion has been found to be a key factor for the quality of the model and has been thoroughly investigated.The widely used analysis of the maximum amplitudes of the pressure oscillations has been replaced by the analysis of the burn rate, where a new knock detection method has been developed. A clearly defined initiation of knocking combustion was observed. The parameters of the knock model determined finally can adequately describe the dependencies on the gas composition. Eines der Hauptziele beim Entwicklungsprozess von neuen Produktenist die Reduktion der Kosten und der Entwicklungszeit. Die zunehmende Leistungsfähigkeit moderner Prozessoren und die kontinuierliche Weiterentwicklung bestehender Modelle für Verbrennungsmotoren erlauben es, einzelne Entwicklungsschritte durch Computersimulationenzu ersetzen. Eine Voraussetzung dafür ist aber, dass Trends vernünftig vorausgesagt werden können und dass Berechnungen die Physik adäquat wiedergeben. In der vorliegenden Arbeit wurden die Verbrennung und das Klopfverhalten bei Gasmotoren untersucht. Dadurchsollen einerseits das physikalische Verständnis verbessert und andererseits Modelle für den Einsatz in thermodynamischen Prozessrechenpaketen entwickelt werden. Diese Modelle wurden erfolgreich für die Optimierung eines neuen Motorkonzeptes eingesetzt, das niedrigste Emissionen, einen hohenWirkungsgrad und gute Fahrbarkeit vereint. Basierend auf experimentell bestimmten Brennverläufen wurde ein empirisches Verbrennungsmodell entwickelt, um das Betriebsverhalten des Motors für verschiedene Betriebspunkte vorauszusagen. Es wurde beobachtet, dass globale, qualitative Trends gut vorausgesagt werden können. Einige charakteristische Parameter des Verbrennungsprozesses - der Kurbelwinkel bei 5% umgesetzter Brennstoffmasse,der Kurbelwinkel bei 50% umgesetzter Brennstoffmasse sowie die Brenndauer definiert als 5% bis 90% umgesetzter Brennstoffmasse - wurden berechnet und mit experimentellenDaten verglichen. Die Grenzen des empirischen Verbrennungsmodells wurden bei der Übertragung auf eine andere Brennraumgeometrie und diverse Betriebsbedingungen aufgezeigt. Deshalb wurde ein neues Modell entwickelt, das auf physikalischen Formulierungen basiert. Das für Gasmotoren entwickelte phänomenologische Verbrennungsmodell kann für die Vorausberechnung verwendet werden und unterstützte zudem die Interpretation von experimentellen Ergebnissen. Eine charakteristische gemittelte Flammfrontfläche wurde unter Verwendung von Untermodellen definiert. Diese Untermodelle beschreiben die laminare Flamm geschwindigkeit, die turbulente Flammgeschwindigkeit sowie die Turbulenzintensität. Des Weiteren wurde der Expansionsfaktor, der die Flammausbreitung aufgrund des Verhältnisses der Dichten von verbranntem und unverbranntem Gemisch beschreibt, berücksichtigt. Es konnte eine gute Übereinstimmung von experimentellen Daten und Berechnungen unter Verwendung dieses Modelles für andere Brennraumgeometrien beobachtet werden. Die charakteristische gemittelte Flammfronflächewurde für die neuen geometrischen Verhältnisse angepasst. Es konntejedoch gezeigt werden, dass die neue Flammfrontfläche durch Überlegungen zur Flammausbreitung basierend auf der ursprünglichen Flammfrontfläche approximiertwerden kann. In der Forschung und Entwicklung wird häufig auf die Verbesserung des Wirkungsgrades im Teillastbetrieb bei Ottomotoren fokussiert, wobei Modifikationen, die zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades bei Teillast führen, das Klopfrisiko beim Volllastbetrieb erhöhen können. Diese gegenläufigen Anforderungen zeigen eindeutig, dass präzise physikalische Beschreibungen des Klopfphänomens nötig sind. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell basiert auf einem Ein-Schritt-Chemie Ansatz und führt zum so genannten Klopfintegral. Aufgrund der variierenden Zusammensetzung von Erdgas wurdenfünf exakt definierte synthetische Gasgemischege testet, um den Einfluss der einzelnen Komponenten zu untersuchen. Des Weiteren berücksichtigt das Modell verschiedene Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors, wobei der Einlassdruck, die Einlasstemperatur, die Drehzahl und der Zündwinkel verändert wurden. Es wurde beobachtet, dass die Unterscheidung zwischen klopfender und nicht klopfender Verbrennung ein Schlüsselfaktor für die Qualität des Modells darstellt, weshalb diese Unterscheidung gründlich untersucht wurde. Die häufig verwendete Analyse der Druckamplituden wurde durch eine Analyse des Brennverlaufs ersetzt, wobei eine neue Klopfdetektionsmethode entwickelt wurde. Ein eindeutig definierter Klopfbeginn konnte dadurch beobachtet werden. Die schlussendlich gefundenen Parameter des Klopfmodells beschreibendie Abhängigkeiten von den Einzelkomponenten adäquat.