Efficient Diesel – Combustion chamber insulation for improved Diesel engine efficiency

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501606

Key words (English)

Internal Combustion Engines, efficiency, wall heat transfer, coatings, conjugate heat transfer

Short description (German)

Dieses Forschungsprojekt untersucht Isolierungseigenschaften und Funktionsprinzipien neuer Schichtsysteme an Brennräumen, insbesondere an Kolben von Verbrennungs-motoren. Dafür werden umfassende experimentelle Untersuchungen des Wärmeüber-gangs in einer Hochdruck/Temperaturzelle und in Motoren mit verschiedenen Schichten durchgeführt. Zur Vertiefung der Wirkmechanismen werden 3D-CFD-Modelle mit CHT Verfahren entwickelt und validiert. Das Projekt ist ein gemeinsames Forschungsvorhaben der TU Berlin, der ETH Zürich und des Fraunhofer Instituts.

Short description (English)

This project seeks to study and develop coatings for combustion chambers in Diesel engines to minimize wall heat losses. Experiments will be conducted in a high-pressure/ high-temperature combustion vessel and in full-metal engines. The combination with 3D-CFD models with conjugate heat transfer (CHT) to be developed in this process will allow for improved understanding of the governing processes. This research project will be carried out jointly by TU Berlin, ETH Zurich, and the Fraunhofer Institute, and is financed from various sources.

Final report (German)

In diesem Projekt werden Verfahren zur Minderung von Wärmeverlusten in dieselmotorischen Brennräumen untersucht. Im Speziellen wurden sogenannte «thermal swing materials» untersucht, deren Temperatur der Brennraumtemperatur folgt um die Temperaturdifferenz zu verringern. An der ETH Zürich wurde auf die folgenden Punkte fokussiert: (i) Identifikation geeigneter Materialcharakteristiken der Beschichtungen, (ii) Grundlagenversuche in der optisch zugänglichen Hochtemperatur-Hochdruck-Zelle (HTDZ) inkl. Wärmestrommessungen, (iii) 3D CFD Berechnungen für die Zelle sowie für einen PKW Dieselmotor, für welchen an der TU Berlin Messungen durchgeführt wurden. Das Fraunhofer IPK führte Beschichtungen der Proben und Charakterisierung der verwendeten Materialien sowie Oberflächenbeschaffenheiten durch. Die Ergebnisse zeigen, dass «thermal swing» Beschichtungen Potential aufweisen, um Wandwärmeverluste zu verringern. Aufgrund von Nichtidealitäten der untersuchten Materialien kann das volle Reduktionspotential jedoch nicht realisiert werden. In der Zelle wurden Spray-Wandinteratktionen durch optische Verfahren untersucht und Wandwärmeströme gemessen, unterstützt durch numerische Inversionstechniken. Die 3D CFD wurde um aktuelle, in der Literatur dokumentierte Erkenntnisse (Messungen und DNS) ergänzt, um Effekte der Oberflächenrauhigkeit abzubilden. Letztere spielt eine Schlüsselrolle und verhindert das Ausschöpfen der Wandwärmeübergangsreduktion. Aufgrund der hohen Oberflächenrauhigkeiten waren zur korrekten Modellierung der Wandwärmeübergange ausserdem Modifikationen der üblicherweise verwendeten Reynolds-Analogie notwendig. Im motorischen Kontext traten bei beschichteten Kolben sowohl in den Messungen an der TU Berlin als auch in den Simulationen an der ETH Unterschiede in den Brennverläufen zutage, welche den Wirkungsgrad negativ beeinflussten. Zukünftige Entwicklungen sollten nebst optimalen Beschichtungseigenschaften insbesondere auch glatte Oberflächen sicherstellen.

Final report (English)

Methods to provide better diesel combustion chamber insulation are investigated in this project. The investigations focus specifically on capabilities of thermal swing materials, which aim to adapt to the temperature of the surrounding gas. The research task of ETH Zürich focuses on (i) determining suitable material characteristics for coatings, (ii) carrying out fundamental optical/heat flux experiments in a high pressure/temperature cell, and (iii) performing 3D CFD simulations for both the cell and an engine for which experiments are carried out in TU Berlin. Fraunhofer IPK carries out coating procedures and provides material and surface characterisations that are employed in both simulations and experiments. Results indicate that thermal swing coatings, here diagnosed primarily by examining a 130 µm porous zirconia coating, show potential for reducing engine heat losses. However, non-ideal factors present in the materials studied prevent the realisation of the full reduction potential. Spray-wall phenomena were examined through optical measurements, heat flux measurements and computational inverse techniques. 3D CFD models were implemented based on state-of-the-art literature (including experiments and direct numerical simulations) of rough-wall flows. It is found that surface roughness is a key non-ideal component that can mitigate the advantages that are gained through thermal swing. Moreover, modelling heat transfer requires modification of the widely adopted strong Reynolds analogy in the case of rough-wall flows. The present zirconia-coated results do not indicate lower instantaneous heat fluxes through walls. In the engine context, combustion phasing differences, noted in both ETH simulations and TU Berlin experiments, appears to be another important contributor to efficiency losses. The findings suggest that, in addition to favourable material properties, future work in coating development should focus on ensuring surface smoothness.

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• Final Report [PDF] 4'952 kB