Dr.-Ing. Rainer Dahms

Numerische Simulation von direkteinspritzenden (SIDI) und kontrolliert selbstzündenden (SA-HCCI) Ottomotoren

Im Rahmen einer intensiven Zusammenarbeit mit der General Motors Corporation, Detroit, USA wird innerhalb dieses Projekts sowohl an der Weiterentwicklung und Verbesserung bestehender moderner Verbrennungskonzepte, als auch an neuartigen und effizienten Niedrigschadstoff-Brennverfahren für Ottomotoren der nächsten Generation gearbeitet. Die numerische Simulation des Betriebs –und Stabilitätsverhaltens von direkteinspritzenden (DI) und – als neuem Verbrennungskonzept - kontrolliert selbstzündenden (SACI) Ottomotoren steht hierbei im Vordergrund. Bei letzterem wird Benzin durch eine Haupteinspritzung früh in den Motor eingebracht. Durch Kompression erfolgt schließlich die Selbstzündung des dadurch entstandenen homogenen und mageren Benzin/Luft-Gemisches. Kontrolliert werden soll der Zeitpunkt der Selbstzündung durch die Wirkung einer sich von der Zündkerze aus ausbreitenden Flammenfront auf das selbstzuzündende Gas. Ein entflammbares Gemisch an der Zündkerze wird durch eine Sekundärdirekteinspritzung des Benzins kurz vor dem Zündzeitpunkt erreicht. Durch die magere und insgesamt sehr homogene Benzin/Luft-Mischung wird ein verbrauchs –und  schadstoffarmes Brennverfahren verwirklicht.

Die Forderung nach einem stabilen und robusten Ausbrand sowohl beim DI –, als auch beim SACI-Brennverfahren macht eine kontrollierte Flammenausbreitung und Selbstzündung trotz der auftretenden zyklischen Schwankungen des Strömungs- und Mischungsfeldes im Motor, sowie der komplexen Chemie/Turbulenz und Spray/Flammen-Interaktion erforderlich.
Die Ausbreitung der Flammenfront im Raum wird durch einen Level-Set beschrieben. Zusammen mit Modellgrößen für die turbulente Brenngeschwindigkeit und der Flammendicke wird dieses Konzept auch als „G-Gleichung“ bezeichnet. Es erlaubt die Berechnung der Position der turbulenten Flamme zu jeder Zeit im Brennraum. Anhand dessen kann die Umsetzung des Brennstoffs, die entstehende Wärmefreisetzung und deren Auswirkung auf das unverbrannte Gas, sowie die Schadstoffstoffbildung berechnet werden.

I. Forschungsprojekte

  • Entwicklung und Simulation von kontrolliert selbstzündenden Ottomotorenbrennverfahren der nächsten Generation
  • Verbrennungssimulation von direkteinspritzender Ottomotoren
  • Simulation zyklischer Verbrennungsfluktuationen und -stabilitäten im Ottomotor
  • Modellierung von Schadstoffentstehung und -reduktion im Ottomotor

II. Veröffentlichungen

  • R. Dahms and N. Peters, Modeling of Turbulent Flame Propagation in Homogeneous and Stratified Charge Spark-Ignited Engines using a Non-Spherical Flame Kernel and Level-Set Based Flamelet Model, Journal Paper in Preparation 
  • R. Dahms and N. Peters, On Nitrogen Oxide Formation in Spray-Guided Spark-Ignited Engines, Submitted for Journal Publication 
  • R. Dahms, G. Paczko, N. Peters, and M. Herrmann, Modeling of Partially-Premixed Combustion in Spark-Ignition Engines using a Level-Set Based Flamelet Model, Journal Paper in Preparation
  • R. Dahms, M.C. Drake, T.D. Fansler, T.-W. Kuo, and A.M. Lippert, Modeling Ignition Phenomena in Spray-Guided Spark-Ignited Engines, Proc. Comb. Inst. (32, in press) 2009, doi:10.1016/j.proci.2008.05.052 
  • C. Felsch, R. Dahms, B. Glodde, S. Vogel, N. Peters, An Interactively Coupled CFD-Multi-Zone-Approach to Model HCCI Combustion, Accepted for Publication in Flow, Turb. & Comb.
  • R. Dahms, M.C. Drake, T.D. Fansler, T.-W. Kuo, and A.M. Lippert, Modeling Ignition Phenomena in Spray-Guided Spark-Ignited Engines, 32nd International Symposium on Combustion (2008) Montreal
  • R. Dahms, N. Peters, D. Stanton, Z. Tan, J. Ewald, Pollutant Formation Modelling in Natural Gas SI Engines using a Level Set Based Flamelet Model, Int. J. Eng. Research, 2008, 9 (IJER) 1-14 
  • S. Jerzembeck, R. Dahms, O. Röhl, N. Peters, Thermo diffusive instability phenomena of stoichiometric up to very rich spherical flames of n-heptane-air-mixtures, 5th European Thermal-Sciences Conference, Eurotherm 2008
  • C. Felsch, R. Dahms, B. Glodde, S. Vogel, N. Peters, H. Barths, T. Sloane, N. Wermuth, A.M. Lippert, Applying an interactively coupled CFD-Multi-Zone-Approach to model HCCI Combustion, Computational Combustion 2007, ECCOMAS Thematic Conference
  • R. Dahms, J. Ewald, F. Freikamp, N. Peters, VLES & RANS Approach for Turbulent Premixed Combustion Modelling, LESSCO2 Kongress 2006, München
  • R. Dahms, J. Ewald, N. Peters, Simulation of Turbulent Premixed Combustion in a Homogeneous Charged Natural Gas Engine Operating on Lean Conditions using the G-Equation including Models for Pollutant Predictions, SESI - Final Report, 2006. Cummins Power Generation Inc., Columbus, Indiana, USA