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M.C. Doppler:
"Modellierung der Tropfenablösung aus dem Feuersteg eines Ottomotors mit einem Volume-of-Fluid-Ansatz";
Supervisor: T. Lauer, N. Zöbinger; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik(IFA), 2020; final examination: 2020-09-23.

Climate change has become ubiquitous, and carbon dioxide emissions are becoming strictly regulated by law. These regulations influence the development of gasoline engines. Modem gasoline engines are developed according to the downsizing principle, whereby the specific power is limited by the occurrence of combustion anomalies such as low speed pre-ignition. This phenomenon occurs at low to medium engine speeds under high load. The most plausible theory behind this phenomenon is the triggering of preignition by detaching oil droplets at the ring crevice.

In this master's thesis, a numerical fluid simulation was used to analyze the droplet-detaching mechanism at the ring crevice. In the simulation model, it was assumed that fluid collects in the ring crevice and is ejected by the acceleration of the piston. The effects of evaporation and boil were neglected. The increase in pressure and air temperature during the simulation was achieved by increasing the air mass in the model. The temperature and pressure correspond to an isentropic compression with an isentropic exponent of an air-octane mixture. The model follows the piston velocity, which correlates with the engine speed by the cranking mechanism.

At the simulation, oil (based on SAE 0W20), gasoline, and mixtures of the two fluids in varying ratios were considered. The analysis of the fluid properties was an essential part of this thesis. Viscosity and surface tension, in particular, influence the fluid dynamics and droplet detachment. The mixtures of oil and gasoline showed that a low percentage of gasoline significantly reduces viscosity and surface tension. The fluid properties were calculated theoretically with two exceptions. For the definition of the viscosity and the surface tension of oil, two discrete measurement points were used. The fluid properties of the oil were interpolated and extrapolated between these two measurement points. The gasoline was assumed to be a mixture of the relevant hydrocarbons. Shares below a mole fraction of 1 % were neglected. Orrick and Erbar's method and VDI Wärmeatlas were used for calculating the properties of the oil-gasoline mixture.

The simulations with oil showed a droplet size between 0.06 mm and 0.2 mm. Considering that the minimum droplet size is limited by the necessary ignition power and the maximum droplet size is limited by the achievable ignition temperature, a critical droplet size of 0.10 mm was determined. However, droplets exceeding the critical droplet size can trigger a pre-ignition in subsequent engine cycles. Variation of the filling height revealed two different mechanisms for detaching droplets at the ring crevice. Both mechanisms produced droplets. Furthermore, the lower filling heights were critical to the formation of droplets. The gasoline and oil mixture showed the positive effect of decreased surface tension and viscosity through the formation of droplets. The mixture formed a fluid thread at the piston crown, which then dissolved into droplets. Gasoline significantly decreased surface tension and viscosity, simplifying the droplet-formation process. This effect was also observed with pure gasoline in the ring crevice. Gasoline exhibited strong droplet formation, thereby illustrating the effect of decreased surface tension and viscosity on the droplet formation process.

Der Klimawandel ist allgegenwärtig und der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid wird durch gesetzliche Rahmenbedingungen immer weiter reduziert. Dies hat folglich auch Auswirkungen auf die Entwicklung von Ottomotoren. Moderne Ottomotoren werden hauptsächlich nach dem Downsizing-Prinzip entwickelt, wobei die spezifische Leistung durch die Entstehung von Verbrennungsanomalien wie der Vorentflammung begrenzt wird. Vorentflammungen entstehen vor allem im niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich bei hoher Last. Es wird angenommen, dass die Vorentflammung bei Ottomotoren durch das Entstehen von Tropfen am Feuersteg ausgelöst wird.

In dieser Diplomarbeit wird der Bildungsmechanismus von Tropfen am Feuersteg mittels einer numerischen Strömungssimulation untersucht. Im Modellaufbau wurde angenommen, dass sich Flüssigkeit im Feuersteg ansammelt und über die Kolbenverzögerung aus dem Feuersteg ausgeschleudert wird. Verdampfung sowie Sieden der Flüssigkeit im Feuersteg wurden vernachlässigt. Die Druck- und Temperaturerhöhung im Modell wurde durch Erhöhung der Luftmasse im Modell erreicht, wobei der Druck- bzw. Temperaturverlauf einer isentropen Verdichtung angenähert wurde. Der lsentropenexponent der Verdichtung entspricht jenem eines Luft-Oktan-Gemisches. Das Modell folgt der Kolbengeschwindigkeit, die über die Kurbelgeometrie mit der Drehzahl zusammenhängt.

Für die Simulation wurden die Flüssigkeiten Öl (basierend auf SAE 0W20) und Ottokraftstoff sowie deren Mischungen in Betracht gezogen. Die Berechnung der Fluideigenschaften war ein essenzieller Teil dieser Arbeit. Besonders Viskosität und Oberflächenspannung beeinflussen die Tropfenablösung maßgeblich. Bei den Mischungen aus Öl und Ottokraftstoff zeigte sich, dass bereits kleine Mengen an Ottokraftstoff die Viskosität und Oberflächenspannung signifikant verringerten. Deren Berechnung erfolgte ohne Einbindung praktischer Messergebnisse. Ausnahmen waren jeweils zwei diskrete Messpunkte bei der Bestimmung der Viskosität und der Oberflächenspannung von Öl. Für die Mischungen wurde angenommen, dass es sich um reine Kohlenwasserstoffmischungen handelt. Die Viskosität sowie die Oberflächenspannung der Mischungen wurden durch Ansätze von Orrick und Erbar sowie den VDI-Wärmeatlas ermittelt.

Bei den Simulationen mit Öl zeigten sich Tropfen im Größenbereich von 0.06 bis 0.2 mm. Unter der Annahme, dass der Mindestdurchmesser der Tropfen durch die benötigte Zündenergie begrenzt ist und der maximale Tropfendurchmesser durch die zu erreichende Zündtemperatur, kann ein kritischer Tropfendurchmesser von ca. 0.1 mm ermittelt werden. Größere Tropfendurchmesser können jedoch in den folgenden Zyklen das Potential entwickeln, eine Vorentflammung auszulösen.

Durch die Variation der Füllhöhe konnten zwei unterschiedliche Ablösemechanismen für Öl gefunden werden, wobei beide Mechanismen Tropfen ausbilden. Zudem zeigte sich der Effekt, dass ein niedriger Füllstand des Feuersteges ebenfalls kritischer bzgl. Der Bildung von Tropfen zu betrachten ist.

Weiters konnte der positive Effekt von Ottokraftstoff im Öl auf die Tropfenbildung gezeigt werden. Die Mischung von Öl mit Ottokraftstoff bildete am Feuersteg einen Flüssigkeitsfaden aus, der sich in Folge in Tropfen auflöste. Ottokraftstoff senkt die Stoffparameter Viskosität und Oberflächenspannung signifikant. Dies hat zur Folge, dass die Bildung von Tropfen erleichtert wird, was durch eine Simulation mit reinem Ottokraftstoff im Feuersteg gezeigt werden konnte. Ottokraftstoff zeigt eine starke Tropfenbildung und somit deutlich den Einfluss der Oberflächenspannung und Viskosität auf die Tropfenbildung.