Aktive Beeinflussung der Ladungsbewegung durch fluidische Wirbelgeneratoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Eilts; Dr.-Ing. Peter Scholz
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511725940

Moderne Verbrennungsmotoren arbeiten mit einer gezielt erzeugten Bewegung der Zylinderladung, um die Gemischbildung und/oder die Verbrennung zu unterstützen. Die Erzeugung der Ladungsbewegung erfolgt üblicherweise über entsprechend geformte Einlasskanäle. In aller Regel bewirkt eine erhöhte Ladungsbewegung einen verringerten Durchfluss und damit eine verschlechterte Ladungswechselarbeit. In diesem Projekt wird eine alternative Methode zur Drallerzeugung untersucht. Dazu wird ein Kanal verwendet, der von Haus aus wenig Ladungsbewegung erzeugt. Diese wird durch gezielte tangentiale getaktete Lufteinblasung in den Kanal in der Nähe des Ventilsitzes angehoben. Damit ist eine stufenlose Variation des Dralls möglich, anders als bei der sonst üblichen Kanalzu- und abschaltung. Außerdem zeigen die Vorarbeiten, dass der Arbeitsaufwand zur Erzeugung der Druckluft kleiner ist als die Vergrößerung der Ladungswechselarbeit, die ein entsprechender Drallkanal verursachen würde. Das Projekt wird am Institut für Strömungsmechanik (ISM) und am Institut für Verbrennungskraftmaschinen (ivb) der TU Braunschweig bearbeitet. Es wird zunächst, aufbauend auf den Vorarbeiten, eine Reihe von Kanälen konstruiert. Diese wird das ISM mit stationären RANS-Rechnungen untersuchen. Das Resultat ist eine Pareto-Front Drall über Durchfluss. Aus dieser Paretofront werden drei Kanäle mit unterschiedlichem Drallniveau ausgewählt. Diese werden am Strömungsprüfstand des ivb experimentell untersucht, um die Simulationsergeb-nisse zu verifizieren. Weiterhin werden mit den Kanälen mit niedrigem und mittlerem Drall Versuche mit Lufteinblasung durchgeführt. Für instationäre Untersuchungen wird am ivb ein Prüfstand mit einem geschleppten Versuchsmotor aufgebaut. Dessen Zylinderkopf wird so konstruiert, dass die Einlasskanäle leicht gewechselt werden können. Die Vermessung des Strömungsfeldes erfolgt mit Hitzdrahtanemometern, da damit die Ergebnisse deutlich schneller verfügbar sind als mit optischen Verfahren. Das ist bei dem aufgrund der Variabilität der Einblasung großen zu untersuchenden Parameterraum von Bedeutung. Das ISM wird für die instationären Untersuchungen eine Simulationskette aus uRANS- und IDDES-Simulationen aufbauen. Die Rechnungen werden mit OpenFOAM durchgeführt. Mit diesen Werkzeugen erfolgt eine systematische Optimierung. Ziel ist eine Parameterkonstellation, die mit dem geringst möglichen Energieaufwand zur Drucklufterzeugung eine möglichst große Anhebung des Dralls bewirkt um einen Kanal verwenden zu können, der ohne Einblasung einen geringen Drall erzeugt und daher einen guten Durchfluss hat. Abschließend werden zur Bewertung Motorsimulationen durchgeführt. Durch eine gemeinsam abgestimmte Vorgehensweise mit experimentellen Parameterstudien und detaillierter Nachrechnung mit skalenauflösenden Simulationen kann der Effekt der Einblasung auf die Entwicklung des Dralls und die damit verbundenen Sensitivitäten detailliert aufgeklärt und beschrieben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen