TY - JOUR A1 - Franken, Tim A1 - Netzer, Corinna A1 - Mauss, Fabian A1 - Pasternak, Michal A1 - Seidel, Lars A1 - Borg, Anders A1 - Lehtiniemi, Harry A1 - Matrisciano, Andrea A1 - Kulzer, Andre Casal T1 - Multi-objective optimization of water injection in spark-ignition engines using the stochastic reactor model with tabulated chemistry N2 - Water injection is investigated for turbocharged spark-ignition engines to reduce knock probability and enable higher engine efficiency. The novel approach of this work is the development of a simulation-based optimization process combining the advantages of detailed chemistry, the stochastic reactor model and genetic optimization to assess water injection. The fast running quasi-dimensional stochastic reactor model with tabulated chemistry accounts for water effects on laminar flame speed and combustion chemistry. The stochastic reactor model is coupled with the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm to find an optimum set of operating conditions for high engine efficiency. Subsequently, the feasibility of the simulation-based optimization process is tested for a three-dimensional computational fluid dynamic numerical test case. The newly proposed optimization method predicts a trade-off between fuel efficiency and low knock probability, which highlights the present target conflict for spark-ignition engine development. Overall, the optimization shows that water injection is beneficial to decrease fuel consumption and knock probability at the same time. The application of the fast running quasi-dimensional stochastic reactor model allows to run large optimization problems with low computational costs. The incorporation with the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm shows a well-performing multi-objective optimization and an optimized set of engine operating parameters with water injection and high compression ratio is found. KW - Ottomotor KW - Water injection KW - Genetic optimization KW - Spark-ignition engine KW - Stochastic reactor model KW - Detailed chemistry KW - Wassereinspritzung KW - Prozessoptimierung KW - Stochastisches Modell Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1177/1468087419857602 SN - 1468-0874 SN - 2041-3149 PB - SAGE Publications CY - London, England ER - TY - THES A1 - Seidel, Lars T1 - Development and reduction of a multicomponent reference fuel for gasoline T1 - Entwicklung und Reduktion eines Mehrkomponentenreferenzkraftstoffes für Benzin N2 - Within this thesis, a detailed multicomponent gasoline surrogate reaction scheme was developed and reduced to a four component scheme of skeletal size. The main target is to cover the most important features for typical spark ignited (SI) combustion - flame propagation, emission formation and the tendency to auto ignite and subsequently cause engine knock. To achieve this a variable mechanism concept was developed to include sub models for different fuels as needed. Using this approach a detailed mechanism describing the oxidation of n-heptane, iso-octane, toluene and ethanol was compiled and compared against various experiments published in literature. Furthermore, correlations were developed to suggest four component gasoline surrogates based on typical fuel data sheets. The correlation method is validated against measurements in Cooperative Fuel Research (CFR) engine from various groups and further compared against correlations between octane numbers (ON) and predicted 0D ignition delay times. These correlations are used to identify and discuss the impact of the uncertainty of two reactions on ignition delay time of a multicomponent fuel. To be able to reduce the detailed scheme in a time efficient way existing reduction concepts where improved and applied to different schemes and targets. Since various reduction techniques are available, an optimal sequence of those was worked out. Using this sequence of reduction steps two multicomponent schemes were compiled: one scheme for the prediction of laminar flame speeds and one for the prediction of major emissions and auto-ignition. To underline that the suggested reduction procedure is universal it was also applied to n-heptane as single fuel surrogate for diesel fuel and to a large two component fuel from another work group. N2 - In dieser Arbeit wurde ein detaillierter Reaktionsmechanismus für einen Mehrkomponentenersatzkraftstoff für Benzin entwickelt und zu einem vier Komponenten Skelett-Mechanismus reduziert. Das Hauptaugenmerk lag darauf die wichtigsten Eigenschaften für typische Verbrennungsprozesse/Verbrennungsregime in Ottomotoren abzudecken: Flammenausbreitung, Emissionsbildung und die Tendenz zum durch Selbstzündung indizierten Klopfens. Um dies zu erreichen wurde ein variables Mechanismenkonzept entwickelt mit dessen Hilfe sich Submodelle für verschiedene Kraftstoffe einbinden lassen. Mit diesem Ansatz wurde ein detaillierter Mechanismus erstellt um die Oxidation von n-Heptan, iso-Oktan, Toluen und Ethanol zu beschreiben und gegen verschiedene publizierte Experimente verglichen. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt um vier Komponenten Ersatzkraftstoffe mit Hilfe von Kraftstoffdatenblättern zu formulieren. Diese Methode ist gegen Messungen von verschiedenen Gruppen in dem Cooperative Fuel Research (CFR) Motor validiert. Weiterhin wurden die Gemische gegen Korrelationen zwischen Oktanzahlen und 0D Zündverzugszeiten verglichen. Diese Korrelationen wurden genutzt um den Einfluss der Unsicherheit in der Reaktionsgeschwindigkeit zweier Reaktionen zu identifizieren und zu diskutieren. Um den detaillierten Reaktionsmechanismus effektiv reduzieren zu können wurden existierende Reduktionskonzepte verbessert und auf verschiedene Mechanismen und Ziele angewendet. Da verschiedene Reduktionstechniken zur Verfügung standen wurde eine optimale Reihenfolge ausgearbeitet. Mit Hilfe dieser Reduktionssequenz wurden zwei reduzierte Mehrkomponentenreaktionsmechanismen erzeugt: Einer zur Vorhersage von laminaren Flammengeschwindigkeiten und einer für die Vorhersage von Hauptemissionen und Selbstzündung. Um zu unterstreichen, dass die entwickelte Reduktionsprozedur universal einsetzbar ist, wurde diese auch zur Reduktion eines n-Heptan Mechanismus angewendet. Weiterhin wurde ein großer Reaktionsmechanismus einer anderen Arbeitsgruppe für einen zwei Komponenten Dieselersatzkraftstoff reduziert. KW - Mechanism reduction KW - Surrogate fuels KW - Gasoline KW - Combustion modelling KW - Reaction mechanism KW - Verbrennungsmodellierung KW - Benzin KW - Mechanismen Reduktion KW - Reaktionsmechanismus KW - Referenz Kraftstoffe KW - Benzin KW - Verbrennung KW - Reaktionsmechanismus Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42696 ER -