Simulative Optimierungsmethodik eines Erdgasmotors mittels einer aktiv gespülten Vorkammerzündkerze

Abstract

Vor dem Hintergrund der Erreichung der Klimaziele und der dringenden Notwendigkeit, Treibhausgasemissionen zu reduzieren, werden im Großmotorenbereich zunehmend kohlenstoffarme bzw. kohlenstofffreie Kraftstoffe eingesetzt. Dazu gehören Erdgas und Ammoniak, die eine deutlich geringere Zündwilligkeit als konventionelle Marinekraftstoffe wie Diesel oder Schweröl aufweisen. Zur Erzielung der besseren Ergebnisse hinsichtlich eines hohen Wirkungsgrades und niedriger NOx-Rohemissionen ist ein Magerbrennverfahren von Vorteil. Dies hat zur Folge, dass die Zündwilligkeit der Kraftstoff-Luft-Gemische bei den ohnehin zündunwilligen Kraftstoffen weiter abnimmt und eine konventionelle Hakenzündkerze nicht in der Lage ist, eine effiziente und vollständige Verbrennung solcher Gemische sicherzustellen. Zudem steigt das Risiko einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs, der im Falle von Erdgas je nach Betrachtungszeitraum ein 30- bis 87-fach höheres Treibhausgaspotenzial als Kohlendioxid aufweist. Ein zuverlässiges und leistungsfähiges Zündverfahren gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Eine aktiv gespülte Vorkammerzündkerze ist eines der leistungsfähigsten Zündsysteme, bei dem die Gemischanreicherung und Zündung in einer Vorkammer erfolgen und anschließend turbulente Fackelstrahlen schnell in den Hauptbrennraum eindringen und dort eine beschleunigte Verbrennung auslösen. Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung einer zeit- und ressourceneffizienten Methodik für die Auslegung und Optimierung einer aktiv gespülten Vorkammerzündkerze unter Nutzung der Synergie von numerischen und empirischen Methoden. Diese Optimierungsmethodik besteht aus aufeinanderfolgenden Auslegungs- und Validierungsschritten, wobei einerseits die Simulationskomplexität schrittweise erhöht wird und andererseits geeignete zeit- und ressourceneffiziente Validierungsmethoden eingesetzt werden. Zunächst wird eine eindimensionale Auslegungsmethode zur Geometrieoptimierung und Randbedingungsermittlung entwickelt. Darauf aufbauend erfolgt eine industrietaugliche Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) Modellierung der Einzelprozesse wie Spülung und Gemischbildung in der Vorkammer mit anschließender Validierung und Optimierung mittels hochgenauer direkter numerischer Simulation. Dabei werden die Genauigkeit und der Rechenaufwand des entwickelten Modells optimiert. Abschließend wird auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse ein RANS-Einzylindermodell mit aktiv gespülter Vorkammerzündkerze aufgebaut und anhand von Motorversuchen validiert. Ein zentrales Ziel dieser Dissertation ist es, zeiteffiziente, genaue und stabile numerische Methodik für Optimierungsaufgaben der Vorkammerzündkerze zu finden und zu untersuchen. Dabei wird untersucht, wie sich die Simulationsgenauigkeit bei Variation der Motorbetriebsparameter verändert und wo noch Verbesserungspotential besteht.

In response to climate change and the urgent need to reduce greenhouse gas emissions, the use of low- and zero-carbon fuels is increasing in the large engine sector. These include natural gas and ammonia, which are significantly less flammable than conventional marine fuels such as diesel or heavy fuel oil. In order to achieve better results in terms of high efficiency and low raw NOx raw emissions, a lean combustion process is advantageous. As a result, the flammability of the fuel-air mixtures is further reduced for fuels that are already difficult to ignite, and a conventional spark plug cannot ensure efficient and complete combustion of such mixtures. There is also an increased risk of incomplete fuel combustion, which in the case of natural gas has a greenhouse gas potential 30 to 87 times higher than carbon dioxide, depending on the period under consideration. Reliable and effective ignition, therefore, becomes increasingly important. An active scavenged pre-chamber spark plug is one of the most powerful ignition systems, where mixture enrichment and ignition take place in a pre-chamber and turbulent flame jets then rapidly penetrate into the main combustion chamber, triggering accelerated combustion. This thesis aims to develop a time and resource-efficient optimization methodology for the development of actively scavenged pre-chamber spark plugs using the synergy of numerical and empirical methods. This optimization methodology consists of successive modeling and validation steps, where, on the one hand, the simulation complexity is progressively increased. On the other hand, appropriate time and resource-efficient validation methods are used. The first step is to develop a one-dimensional design method for geometry optimization and boundary condition determination. Based on this, an industrially suitable Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) modeling of the individual processes such as scavenging and mixture formation in the pre-chamber is carried out with subsequent validation and optimization utilizing high-accuracy direct numerical simulation. The accuracy and computational complexity of the developed model are then optimized. Finally, a single-cylinder RANS model with an active scavenged pre-chamber spark plug is developed and validated by engine testing. A central objective of this thesis is to find and investigate time-efficient, accurate, and stable numerical methods for optimization of a pre-chamber spark plug. It is investigated how the simulation accuracy changes when engine operating parameters vary and where there is still potential for improvement.