DNS Zündung/Entflammung Gasmotoren

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501301

Key words (English)

High flame stability and low-CH4 (greenhouse) emissions, early flame propagation in -/outside a pre-chamber, accurate simulation of turbulent premixed combustion, interaction of a solid wall with a propagating flame

Short description (German)

Vertieftes Verständnis der gasmotorischen Verbrennung durch Direkte Numerische Simulation und der experimentellen Validierung. Darauf gestützt Evaluation geeigneter industrie-relevanter Modelle hinsichtlich Entwicklung zukünftiger Gasmotoren mit minimalen CH4 Emissionen. Drei Schwerpunkte: Flammausbreitung in der Vorkammer, Flammstabilität beim Eintritt in den Hauptbrennraum und Einfluss der Wand auf die turbulente Flamme.

Final report (German)

In diesem Projekt wurden die grundlegenden Prozesse in Vorkammerzündsystemen untersucht. Solche Zündsysteme werden in mageren Erdgasmotoren eingesetzt, um die Verbrennungsrate zu erhöhen und zyklische Schwankungen zu reduzieren. Dabei ist die Vorkammer über kleine Überströmbohrungen mit der Hauptbrennkammer verbunden. Der Druckanstieg durch die Verbrennung erzeugt heisse, reaktive, turbulente Strahlen in der Hauptkammer, die deutlich höhere Zündenergie liefern und verteilte Zündstellen erzeugen. Dies führt zu einer intensivierten und beschleunigten Verbrennung, minimiert die Variabilität von Zyklus zu Zyklus und ermöglicht eine höhere Abmagerung bei gleichzeitiger Verringerung der Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas. 

Aufgrund des schnellen transienten Wechselwirkung zwischen Turbulenz und chemischer Kinetik, welche stark von der komplexen Geometrie und den Betriebsbedingungen beeinflusst wird, sind die grundlegenden Prozesse bei der Verbrennungsinitiierung in der Vorkammer und das anschließende Eindringen der heissen reaktiven Strahlen in die Hauptkammer, welche zum Verbrennen der Hauptladung führen, noch nicht vollständig verstanden. Zur detaillierten Untersuchung der Vorgänge wurde in diesem Projekt deshalb ein neuer Prüfstand entwickelt und gebaut, der einen optischen Zugang zu beiden Kammern ermöglicht und mit Sensoren zur Messung der Wärmeflüsse an den Wänden ausgestattet ist. Messungen wurden bei unterschiedlichen Drücken, Temperaturen und Gaszusammensetzungen mit Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern durchgeführt. Parallel zu den Experimenten wurden Direkte Numerische Simulationen (DNS) durchgeführt. Die Kombination ermöglicht einzigartige Einblicke in die physikalischen und chemischen Prozesse als auch detaillierte Daten für die Validierung und Abstimmung bestehender Modelle in CFD Codes sowie für die Entwicklung neuer Modelle. Die Dynamik der transienten zunächst kalten und anschließend reaktiven Strahlen und deren Aufbruch, welche die Zündung und den Verbrennungsmodus in der Hauptkammer bestimmen, wurde genau erfasst und die umfangreichen, hochdetaillierten Datensätze werden derzeit nachbearbeitet. Die Analyse der Daten wird nach Abschluss des Projekts fortgesetzt. 

Final report (English)

Prechamber ignition systems are used in lean-burn natural gas engines to increase combustion rate and reduce cyclic variations. In such systems, the prechamber is connected with the main combustion chamber through small orifices. The pressure increase due to combustion creates hot reactive turbulent jets in the main chamber, providing significantly higher ignition energy and creating distributed ignition sites. This leads to intensified and accelerated combustion, minimizing cycle-to-cycle variability, and allows for increased dilution levels while diminishing the amount of unburned hydrocarbons in the exhaust.
Due to the fast transient interaction of turbulence and chemical kinetics which is strongly affected by the complex geometry and the operating conditions, the fundamental processes during combustion initiation in the pre-chamber and the subsequent penetration of the hot reactive jets into the main chamber leading to the burning of the main charge are not yet fully understood. In this project, a combination of optical diagnostics in a novel optically-accessible generic pre- and main chamber setup with direct numerical simulations (DNS) provide both unique insights into the physical and chemical processes and detailed data for the validation and tuning of existing models in engineering codes as well as for the development of novel models.
A new test rig was designed and manufactured, which provides optical access to both chambers and is equipped with sensors to measure heat fluxes to the walls. Measurements were performed for different pressures, temperatures, and compositions in the two chambers using nozzles of different diameter. Parametric two-dimensional (2D) DNS highlighted the importance of geometric, initial thermochemical state and operating conditions, and provided insights into flame propagation in the prechamber, and the flow and mixing driven first by the cold jet which becomes turbulent by the time the flame front reaches the nozzle exit, and subsequently into the ignition and consumption of the main chamber charge. Computationally demanding 3-D DNS were performed in two setups: (i) a simplified setup where the effect of the prechamber was mimicked by appropriately choosing the time-varying inflow velocity, temperature and composition profiles, and (ii) the experimental geometry, albeit with a smaller diameter of the main chamber cylinder. The dynamics of the transient initially cold and subsequently reactive jets and their breakup that determine the ignition and mode of combustion in the main chamber were accurately captured and the rich datasets that were generated are currently post processed. The analysis of the large scale data will continue after the end of the project. 

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• Schlussbericht - DNS Zündung/Entflammung Gasmotoren [PDF] 4'314 kB