Phänomenologische Modelle und Motorenzyklen-Simulationen

Die Fähigkeit für die genaue Vorhersage von Verbrennungsverhalten und Emissionsbildung in einem frühen Entwicklungsstadium der neuen Motorenentwicklung wird zunehmend wichtig. Darum hat CFS für Prognosen phänomenologische Modelle für die Analyse des Verbrennungsverhaltens und der Emissionsbildung entwickelt. Diese Modelle können mit Abweichungen der Randbedingungen umgehen und sind höchst geeignet um unterschiedliche Betriebsbedingungen und Motorenkonstruktionen zu untersuchen. In vielen Fällen existieren viele unbekannte Parameter vor allem zu Beginn der Entwicklung oder bei einer Neuauflage. Das Optimierwerkzeug kann gleichzeitig für die automatische Optimierung der Motorenleistung eingesetzt werden, so dass eine wirkungsvolle Palette von Werkzeugen eingesetzt wird.

Erweitertes Flammenausbreitungsmodell cfs.afpm

Ein neu entwickeltes erweitertes Flammenausbreitungsmodell cfs.afpm wird benutzt für die vorgemischte Verbrennung in den Zyklensimulationswerkzeugen. Das Modell wurde erfolgreich für Gas- und Benzinmotoren getestet.

Die turbulente Flammenausbreitung wird auf phänomenologische Weise beschrieben, inklusive Untermodelle für die laminare und turbulente Flammengeschwindigkeit unter Berücksichtigung von Druck im Zylinder, Temperatur, Menge an Auslassgasen, Gleichgewichtsverteilung und Turbulenz. Das Turbulenzmodell berücksichtigt die entstehende Turbulenz beim Einlass, Einspritzung, Quetschströmung und die Änderung der Stärke der Turbulenz durch Druckunterschiede und -Verluste. Die geometrischen Eigenschaften des Brennraums werden durch eine Flammenfront-Flächenfunktion beschrieben, die ein Fingerabdruck der Brennkammergeometrie ist.

Das phänomenologische Modell kann auf zwei Arten eingesetzt werden: Einerseits kann in «rückwärts» Anwendungen die Interaktion von Flamme und Wand untersucht werden, andererseits können in «vorwärts» Anwendungen die Verbrennungsrate und damit Zylinderdruck, Temperatur, Wirkungsgrad und viele andere relevante Grössen vorhergesagt werden.

Rückwärts-Anwendung: Aufgrund der gemessenen Druckbilder kann die Flammen-Wand Interaktion abgeschätzt werden. Das folgende Bild zeigt die experimentell bestimmten Verbrennungsraten zwei verschiedener Brennkammer-Designs und die dazugehörigen berechneten Flammenfrontflächen. Es wird sichtbar, dass die Kurven sich um CA=13.4° überschneiden. Das bedeutet die Flammenausbreitung ist auf den Motor mit der höheren Verdichtungsrate beschränkt (die durch eine gefüllte Kolbenmulde erreicht wird).

Der Punkt wurde weiter untersucht und es wurde beobachtet, dass die Flammenfront die Kolbenoberfläche berührt. Das Beispiel zeigt die «rückwärts» Berechnung. Die folgenden Bilder zeigen die kugelförmige Flamme in der CAD Zeichnung der Brennkammer. Der Flammenradius wurde aufgrund der berechneten Flammenfrontfläche bestimmt.

 

 

 

Die folgende Graphik zeigt den Vergleich der experimentell bestimmten und berechneten Kurbelstellung bei 50%iger Verbrennung. Das Beispiel entspricht der erwähnten «vorwärts» Anwendung. Die Berechnungen wurden mit einem Zyklensimulationscode ausgeführt. Für die untersuchten Betriebszustände wurde eine gute Übereinstimmung beobachtet.

Dieselverbrennungs- und Emissionsmodelle cfs.dcem

Das phänomenologische Dieselverbrennungsmodell beschreibt zunächst die Gemischbildung wo Teilmodelle für Sprühbildung, Verdunstung und Luft-Treibstoffmischung vorhanden sind. Die Zündzeitpunktverzögerung berücksichtigt die physikalische und chemische Zündverzögerung. Treibstoff wird zwischen Vorgemisch und diffusiver Verbrennung verteilt. Die Vorgemisch-Verbrennung wird durch eine Flammenausbreitung modelliert, während die diffusive Verbrennung durch kontrollierte Gemischverbrennung modelliert wird. Die beiden Bereiche, Vorgemisch- und diffusive Verbennung werden schliesslich übereinandergelegt, um die definitive Verbrennungsrate zu erhalten.

Somit nutzt die combustion and flow solutions GmbH solche Modelle in der Designphase um neue Konzepte zu testen. Das folgende Beispiel zeigt die Veränderung des Einspritzzeitpunkts für einen Dieselmotor.

Das Russmodell enthält einen Bildungs- und einen Oxidierungsterm in unterschiedlichen Lambdabereichen. Während der diffusiven Verbrennung wird eine 3D Nachschlagetafel aufgrund von Akihama (SAE 2001-01-0655) eingesetzt, um die Russbildung zu berücksichtigen, während die Russoxidation aufgrund der Russmasse, Sauerstoffkonzentration und der charakteristischen inversen Mischungszeit berechnet wird.

Das NO Modell verwendet einen erweiterten Zeldovich Mechanismus wo virtuelle Verbrennungszonen die unterschiedlichen Luft-Treibstoff-Raten und Verbrennungsfortschritte berücksichtigen.

Beide Emissionsbildungsmodelle werden fortwährend weiter entwickelt und eine erneuerte Version wird bald vorgestellt werden.

 

 

Dieser Beitrag ist auch erhältlich in: English (Englisch)