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Simulation und Optimierung eines gasgespülten Vorkammerzündsystems für Homogen-Mager-Brennverfahren in Gasmotoren unter Verwendung von 1D- und 3D-Simulationen

 
: Schnetgöke, Fabian
: Elsner, Peter; Liebig, Wilfried; Rothe, Paul

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Fulltext urn:nbn:de:0011-n-6352071 (4.3 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: b1ac34f95714557622a16fcedd105513
Created on: 27.5.2021


Karlsruhe, 2021, VII, 111 pp.
Karlsruhe, Inst. für Technologie (KIT), Master Thesis, 2021
German
Master Thesis, Electronic Publication
Fraunhofer ICT ()
Gasmotor; Hybridmodell

Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell vorgestellt, das dem Anwender ermöglicht, unterschiedliche Betriebspunkte eines in Entwicklung befindlichen Gasmotors, der ein gasgespültes Vorkammerzündsystem aufweist, zu simulieren. Das Modell soll dazu dienen, bereits in frühen Entwicklungsphasen eine Bewertung wesentlicher Betriebsparameter, wie das Vorkammervolumen, den Durchmesser der Überströmbohrungen und von Kennwerten der Einblasung in die Vorkammer zu ermöglichen. Die Simulation des Luftpfades und des Hauptbrennraums erfolgt durch eine 1D-Simulation, während die Vorkammer in einer gekoppelten 3D-Simulation simuliert wird (Hybridmodell). Geometrische Änderungen an der Vorkammer können vorgenommen und deren Einflüsse sowohl auf die Vorkammer als auch auf den Gasmotor analysiert werden. Der Anwender kann in der 3D- und 1D-Umgebung Ausgangswerte anpassen, um z. B. den Einfluss von Längenänderungen bei der Ansaug- und Abgasstrecke zu untersuchen oder um unterschiedliche Nockenwellenprofile zu erstellen und zu analysieren. Der Entwicklung dieses Hybridmodells ging ein Simulationsmodell für einen wahlweise mit LPG oder Benzin betriebenen Referenzmotor mit Vorkammerzündkerze voraus, zu dem für die Validierung ausreichend viele Messwerte aus Prüfstandversuchen vorlagen. Die bei der Erstellung, Optimierung und Validierung dieses Simulationsmodells gewonnenen Grundlagen und Erkenntnisse wurden dazu genutzt, das Hybridmodell zu erstellen. Da für den in Entwicklung befindlichen Gasmotor des MethMag Projektes noch keine Messwerte für eine Validierung des Hybridmodells vorhanden sind, wurden ausgewählte Simulationsergebnisse mit aus der Literatur gewonnenen Werten verglichen. Anhand des erstellten hybriden Simulationsmodells wurden wesentliche Vorkammervarianten identifiziert und für zwei Betriebspunkte mit Homogen-Mager-Brennverfahren im Hauptbrennraum untersucht. Ebenso wurde insbesondere die Einblasung in die Vorkammer für unterschiedliche Zeitpunkte analysiert und für ein stöchiometrisches homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch optimiert.

 

In this thesis, a simulation model is presented that allows the user to simulate different operating points of a gas engine which is under development and is equipped with a scavenged pre-chamber ignition system. The model is intended to enable an evaluation of essential operating parameters, such as the pre-chamber volume, the diameter of the nozzle orifices and of characteristic values of the gas injection into the pre-chamber, at an early stage of development. The simulation of the air pathway and the main combustion chamber takes place in a 1D-simulation, while the pre-chamber is simulated in a coupled 3D-simulation (hybrid model). Geometric changes can be made to the pre-chamber and their influences on both the pre-chamber and the gas engine can be analyzed. The user can adjust initial values in the 3D and 1D environment, for example, to investigate the influence of length changes in the intake and exhaust manifolds or to create and analyze different camshaft profiles. The development of this hybrid model was preceded by a simulation model for a reference engine with a pre-chamber spark plug, running either on LPG or gasoline for which a sufficient number of measurement data from bench tests were available for validation. The basic principles and findings obtained during the optimization and validation of this simulation model were used to create the hybrid model. Since no measurement data for validation of the hybrid model are yet available, selected simulation results were compared with values obtained from the literature. Based on the created hybrid simulation model significant pre-chamber variants were identified and investigated for two operating points with a homogeneous-lean combustion process in the main combustion chamber. Likewise, in particular the gas injection into the pre-chamber was analyzed for different injection timings and optimized for a stoichiometric homogeneous air-fuel mixture.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-635207.html