Combustion modeling for virtual SI engine calibration with the help of 0D/3D methods

• Main Author: Grasreiner, Sebastian
• Other Authors: TU Bergakademie Freiberg, Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg Universitaetsbibliothek "Georgius Agricola" 2012
• Subjects: Ottomotor; Variabilität; Valvetronic; Kraftstoffeinspritzung; Direkteinspritzung; Benzindirekteinspritzung; Laststeuerung; Downsizing; Aufladung; Applikation; Kalibrierung; Steuergerät; virtuell; ECU; Verbrennungsmodell; 0D; Turbulenzmodell; k-epsilon; Brennverzug; Entrainment; Momentenstruktur; Abgastemperatur; spark ignited engines; calibration; variability; valve train; fuel direct injection; GDI; load control; turbo charging; downsizing; virtual methods; physical 0D combustion model; real-time; ignition delay model; turbulent burning velocity; overall heat release; entrainment approach; 1D gas exchange analysis; engine torque structure; exhaust gas temperature; simulation; ddc:620; Verbrennung; Modellierung; Motorsteuerung; Turbulenztheorie; Fluiddynamik; Flammenfront
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-90518; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-90518; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/9051/___Diss_Grasreiner_online_Stand_10072012.pdf

Spark ignited engines are still important for conventional as well as for hybrid power trains and are thus objective to optimization. Today a lot of functionalities arise from software solutions, which have to be calibrated. Modern engine technologies provide an extensive variability considering their valve train, fuel injection and load control. Thus, calibration efforts are really high and shall be reduced by introduction of virtual methods. In this work a physical 0D combustion model is set up, which can cope with a new generation of spark ignition engines. Therefore, at first cylinder thermodynamics are modeled and validated in the whole engine map with the help of a real-time capable approach. Afterwards an up to date turbulence model is introduced, which is based on a quasi-dimensional k-epsilon-approach and can cope with turbulence production from large scale shearing. A simplified model for ignition delay is implemented which emphasizes the transfer from laminar to turbulent flame propagation after ignition. The modeling is completed with the calculation of overall heat release rates in a 0D entrainment approach with the help of turbulent flame velocities. After validation of all sub-models, the 0D combustion prediction is used in combination with a 1D gas exchange analysis to virtually calibrate the modern engine torque structure and the ECU function for exhaust gas temperature with extensive simulations. === Moderne Ottomotoren spielen heute sowohl in konventionellen als auch hybriden Fahrzeugantrieben eine große Rolle. Aktuelle Konzepte sind hochvariabel bezüglich Ventilsteuerung, Kraftstoffeinspritzung und Laststeuerung und ihre Optimierungspotentiale erwachsen zumeist aus neuen Softwarefunktionen. Deren Applikation ist zeit- und kostenintensiv und soll durch virtuelle Methoden unterstützt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein physikalisches 0D Verbrennungsmodell für Ottomotoren aufgebaut und bis zur praktischen Anwendung geführt. Dafür wurde zuerst die Thermodynamik echtzeitfähig modelliert und im gesamten Motorenkennfeld abgeglichen. Der Aufbau eines neuen Turbulenzmodells auf Basis der quasidimensionalen k-epsilon-Gleichung ermöglicht anschließend, die veränderlichen Einflüsse globaler Ladungsbewegung auf die Turbulenz abzubilden. Für den Brennverzug wurde ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches den Übergang von laminarer zu turbulenter Flammenausbreitung nach der Zündung in den Vordergrund stellt. Der restliche Brennverlauf wird durch die physikalische Ermittlung der turbulenten Brenngeschwindigkeit in einem 0D Entrainment-Ansatz dargestellt. Nach Validierung aller Teilmodelle erfolgt die virtuelle Bedatung der Momentenstruktur und der Abgastemperaturfunktion für das Motorsteuergerät.