Modellierung der Mischungs- und Verbrennungsprozesse in direkteinspritzenden Ottomotoren mit Hilfe der Grobstruktursimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eine erfolgreiche numerische Simulation innermotorischer Prozesse mit ihrer Vielzahl an physikalischen und chemischen Phänomenen bildet einen wichtigen und bedeutenden Ansatz für die Reduktion der verkehrsbedingten CO2- und Schadstoffemissionen. Die in diesem Vorhaben untersuchten direkteinspritzenden Ottomotoren sind dabei gemeinsam mit weiterentwickelten Dieselmotoren, HCCI-Motoren sowie Mischformen dieser Konzepte eine Erfolg versprechende technologische Variante. Diese Motoren sind im Hinblick auf höhere Wirkungsgrade, die geringere CO2-Emission zur Folge haben, als auch auf niedrigere Schadstoffemissionen, vor allem von NOX, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Ruß, weiterzuentwickeln. Das Potential direkteinspritzender Ottomotoren wird dabei in starkem Maße durch Fehlzündungen begrenzt, die als seltene Ereignisse außerordentlich schwierig vorhersagbar sind. Klassische RANS-Konzepte versagen hier vollständig. In diesem Vorhaben konnte die Eignung der Grobstruktursimulation gezeigt werden, innermotorische Prozesse, insbesondere zyklische Gemischinhomogenitäten und ihren Einfluss auf den Verbrennungsablauf, vorherzusagen. Die wesentlichen Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Mischungsmodelle, basierend auf Eddy-Viscosity-Ansätzen mit konstanter Schmidt-Zahl, sind geeignet, um komplexe Motorkonfigurationen zu berechnen. - Simulationsergebnisse zeigen einen starken Einfluss des Zündkernvolumens auf den Verbrennungsprozess. - Die chemische Kinetik kann über eine Flamelet Generated Manifolds-Tabelle (FGM) abgebildet werden. - Qualitätskriterien zur Beurteilung der Simulationsgüte zeigen, dass Gittergrößen von 2-3 Mio. Kontrollvolumen mit Ausnahme begrenzter Regionen mit hohen Geschwindigkeitsgradienten hinreichend sind. - Es konnte gezeigt werden, dass die POD-Methode eine starke Reduktion der Systemkomplexität durch Analyse weniger Moden ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Application of LES for Analysis of Unsteady Effects on Combustion Processes and Misfires in DISI Engine,“ Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP Energies nouvelles, Volume 69, Number 1, 2014, 129 - 140
D. Goryntsev, K. Nishad, A. Sadiki und J. Janicka
(Siehe online unter https://doi.org/10.2516/ogst/2013125) - „Application of LES-quality criteria to internal combustion engine flows,“ Computers & Fluids (89), pp. 200-213, 2014
F. di Mare, R. Knappstein und M. Baumann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.11.003) - „On the Validation of Large Eddy Simulation Apllied to Internal Combustion Engine Flows Part II: Numerical Analysis,“ Flow Turbulence Combustion (92), pp. 299-317, 2014
M. Baumann, F. di Mare und J. Janicka
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10494-013-9472-x) - „Statistical analysis of the flow characteristics and cyclic variability using proper orthogonal decomposition of highly resolved LES in internal combustion engines“. Computers & Fluids, 105, 10 December 2014, Pages 101-112
F. di Mare und R. Knappstein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2014.09.019)
