Table Of ContentWissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Qirui Yang
A Quasi-dimensional Charge
Motion and Turbulence Model
for Combustion and Emissions
Prediction in Diesel Engines
with a fully Variable
Valve Train
Wissenschaftliche Reihe
¨
Fahrzeugtechnik Universitat Stuttgart
Reiheherausgegebenvon
MichaelBargende,Stuttgart,Deutschland
Hans-ChristianReuss,Stuttgart,Deutschland
JochenWiedemann,Stuttgart,Deutschland
Das Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS) an der Universität Stuttgart
erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit mit
der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner
Fahrzeugkonzepte.DasInstitutgliedertsichindiedreiBereicheKraftfahrwesen,
Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist
die Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und
Simulation. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik,
Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit,
Kraftübertragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung
mithybridenundbatterieelektrischenFahrzeugkonzepten.DerBereichFahrzeug-
antriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich
Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen,
komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsys-
temeundBetriebsstrategiensowiemechanisch-akustischenFragestellungen.The-
men der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Software-
entwicklung sowie Test und Diagnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird
prüfstandsseitig neben vielem anderen unterstützt durch 19 Motorenprüf-
stände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator, einen Antriebsstrang-
prüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aeroakustikwindkanal. Die
wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über
die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergebnisse
der Forschungstätigkeiten am IFS.
Reiheherausgegebenvon
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart
Universität Stuttgart Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik
Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart
Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535
Qirui Yang
A Quasi-dimensional
Charge Motion
and Turbulence Model
for Combustion
and Emissions
Prediction in Diesel
Engines with a fully
Variable Valve Train
QiruiYang
InstituteofAutomotiveEngineering(IFS)
ChairinAutomotivePowertrains
UniversityofStuttgart
Stuttgart,Germany
Zugl.:DissertationUniversitätStuttgart,2020
D93
ISSN2567-0042 ISSN2567-0352 (electronic)
WissenschaftlicheReiheFahrzeugtechnikUniversitätStuttgart
ISBN978-3-658-35773-3 ISBN978-3-658-35774-0 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-35774-0
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FachmedienWiesbadenGmbH,partofSpringerNature2022
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三十功名塵與土，八千里路雲和月。
——岳飛
Thirtyyears’fameandfortuneisbutdirtanddust
Eight-thousand-miles’marchisallcloudsandmoon
YueFei
Preface
This work was realized during my tenure as a research associate at the Insti-
tute of Automotive Engineering (IFS) at the University of Stuttgart under the
supervisionofProf. Dr.-Ing. M.Bargende.
I would like to acknowledge my sincere gratitude to Prof. Dr.-Ing. M. Bar-
gendeforhisoutstandingsupportandguidance. Mydeepgratitudealsogoes
to Prof. Dr.-Ing. P. Eilts and o. Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult. R. Gadow
for their interest in this work and for joining the doctoral committee. The
interestingdiscussionwithProf. Dr.-Ing. P.Eiltshelpedtorefinethework.
Thisworkwouldnothavebeenthesamewithouttheinvaluablesupportfrom
the 0D/1D simulation team at the Institute of Automotive Engineering (IFS)
and the Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines
Stuttgart (FKFS). In particular, I would like to thank my supervisor Dr.-Ing.
MichaelGrillforhisincredibleinsightandknowledgeintothesubjectmatter
andforhisendlessguidanceandsupport. SpecialthankstoDr.-Ing. Dominik
Rether for his expertise and consistent support throughout this research. My
appreciationalsoextendstoSvenFasse,ChristianSchnapp,KangyiYangand
Dr.-Ing. ChristophBossungfortheenlighteningdiscussions.
Iwouldalsoliketoexpressmygratitudetotheworkinggroupandallthecom-
panies that supported the research tasks within the project “Modelling emis-
sionsofdieselenginecombustionwithvariablevalvetiming”definedandfin-
anced by the Research Association for Combustion Engines (FVV) e.V. My
very sincere thanks also goes to my project partner Oliver Nett from Chair
of Powertrain Technologies (FZA) of TU Berlin for providing the excellent
experimentalwork.
Lastbutnottheleast,Icannotforgettothankmyfamilyandfriendsforallthe
unconditionalsupportintheseveryintenseacademicyears.
Stuttgart QiruiYang
Contents
Preface.......................................................................................VII
Figures......................................................................................XIII
Tables.......................................................................................XIX
Abbreviations.............................................................................XXI
Symbols................................................................................. XXIII
Abstract .................................................................................XXIX
Kurzfassung...........................................................................XXXV
1 Introduction.............................................................................1
1.1 MotivationandObjectives ....................................................1
1.2 StructureofthisWork..........................................................2
2 FundamentalsandStateoftheArt..............................................3
2.1 VariableValveTraininDieselEngines....................................3
2.1.1 VariableIntakeValveClosing .....................................3
2.1.2 SecondExhaustValveLiftforInternalEGR...................3
2.1.3 ValvePhasingforSwirl .............................................5
2.2 DieselEngineWorkingProcessCalculation..............................6
2.2.1 ModelingChargeMotionsandTurbulence.....................7
2.2.2 ModelingCombustion.............................................11
2.2.3 ModelingEmissions................................................12
3 Quasi-dimensionalChargeMotionandTurbulenceModel............15
3.1 ModelOverview...............................................................15
3.2 Quasi-dimensionalChargeMotionModel..............................16
3.2.1 SwirlModel..........................................................16
3.2.2 SquishModel........................................................38
3.3 Quasi-dimensionalTurbulenceModel ...................................43
3.3.1 TurbulenceProduction.............................................43
3.3.2 TurbulenceDissipation............................................57
X Contents
3.4 ModelValidation..............................................................62
3.4.1 ValveActuationVariants..........................................62
3.4.2 OperatingPointVariants..........................................69
3.4.3 PistonConfiguratioVariants .....................................70
3.4.4 CylinderDimensionVariants ....................................73
3.4.5 DeviationAnalysis .................................................75
3.5 ModelApplication............................................................77
4 CouplingwithCombustionModel.............................................79
4.1 OverviewoftheCombustionModel......................................79
4.2 PressureTraceAnalysisandModelCalibration.......................83
4.3 ModelCoupling................................................................88
4.3.1 ImplementationTurbulence ......................................88
4.3.2 ImplementationSwirl..............................................88
4.4 ModelValidation..............................................................90
4.4.1 ConventionalValveTrain.........................................90
4.4.2 VariableValveTrain................................................92
4.4.3 DeviationAnalysis .................................................93
5 CouplingwithEmissionModel .................................................95
5.1 OverviewoftheEmissionModel..........................................95
5.2 ModelCoupling................................................................99
5.2.1 ImplementationTurbulence ......................................99
5.2.2 ImplementationSwirl.............................................100
5.3 ModelValidation.............................................................101
5.3.1 ConventionalValveTrain........................................101
5.3.2 VariableValveTrain...............................................104
5.3.3 DeviationAnalysis ................................................112
6 ConclusionandOutlook..........................................................115
Bibliography...........................................................................(cid:2)(cid:2)..121
Appendix..............................................................................(cid:2)(cid:2)(cid:2)...131
A.1 Stand-aloneUseofSwirlModelbasedonLinearVelocity
Profile...........................................................................131
Contents XI
A.2 BlockDiagramofQDMFlowModel...................................132
A.3 VariantCasewithoutSwirl.................................................133
A.4 SensitivityStudyonModelParametersofQDMFlowModel....135
A.5 PressureTraceAnalysis.....................................................139
