Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Weiterentwicklung von Klopfmodellen für die 0D/1D-Motorprozessrechnung für aktuelle und zukünftige Anforderungen

Klopfen ist bei Ottomotoren allgemein und Turbo-Ottomotoren im Besonderen ein wichtiges Auslegungskriterium. Zur Entwicklung neuer Motortechnologien und -konzepte werden daher insbesondere in einer frühen, stark simulationslastigen Phase zuverlässige Klopfmodelle benötigt, aktuell bestehen hier aber beträchtliche Schwächen auf. Ziel ist daher ein neues, verbessertes Klopfmodell für die Anwendung in der 0D/1D-Simulation, das eine zuverlässige Vorhersage des Klopfverhaltens unter einer großen Variation von Randbedingungen ermöglicht. Hierfür soll sowohl das chemische Zündverhalten des Kraftstoffs als auch die Gesamtheit aller „physikalischen“ Einflussgrößen (Strömung, Wärmeübertragung etc.), die letztlich die maßgebliche, lokal wirksame Temperatur beeinflussen, neu modelliert werden, wozu begleitende, detaillierte Rechnungen (3D-CFD/ Kinetikrechnungen) als fundierte Basis dienen.

KMU als Entwicklungsdienstleister, Zulieferer von Systemkomponenten sowie Anbieter von Simulations- und Analysesoftware profitieren von den Forschungsergebnissen in besonderem Maße, da sie das verbesserte Klopfmodell mit geringem Aufwand integrieren und unmittelbar nutzen können. Entsprechend der großen Bedeutung des Klopfens beim Ottomotor kann damit am Markt ein bedeutender Wettbewerbsvorteil erzielt werden.

Eine industrielle Umsetzung ist dabei durch standardisierte Tools und das Bereitstellen eines lauffähigen Programms (FVV-Zylindermodul) sowie umfangreicher Dokumentation mit begleitender Einführungsschulung leicht, schnell und mit geringem finanziellem Aufwand möglich.

Als Transfermaßnahmen stellen zudem die Veröffentlichung des Abschlussberichts und der Dissertation, die Verwendung der Ergebnisse in Lehre und Weiterbildung, Vorträge und Präsentationen sowie ein möglicher Personaltransfer in die Industrie auch nach Abschluss des Vorhabens den langfristigen Nutzen der Projektergebnisse sicher.

Ergebniszusammenfassung:

Für die Vorhersage motorischen Klopfens innerhalb von Prozessrechnungen wurde ein Klopfmodell entwickelt, das die Klopfgrenze eines Betriebspunkts sehr genau vorhersagen kann. Als notwendiger Eingangsparameter werden Zündverzugszeiten benötigt, die experimentell ermittelt und über ein neuronales Netzwerk dargestellt werden konnten. Experimentelle Untersuchungen der laminaren Brenngeschwindigkeiten wurden durch die Verbesserung eines algebraischen Approximationsmodells und die Bestimmung eines Modellparametersatzes für den Basiskraftstoff ROZ95 ergänzt.

Für die Validierung sowohl der 0D/1D- als auch der Strömungssimulation wurden fundamentale, experimentelle Untersuchungen auf einem Einzylinderprüfstand durchgeführt. Dabei wurden 12.134 klopfende Arbeitsspiele für eine weite Variation der Betriebsparameter, u.a. mit verschiedenen Kraftstoffen und Injektortypen, aufgezeichnet.

Ein auf Basis der Zündverzugszeit- und Brenngeschwindigkeitsmessungen weiterentwickelter Reaktionsmechanismus wurde für 3D-CFD-Analysen verwendet, die ungeklärte Phänomene aus der thermodynamischen Messkampagne aufdecken konnten. Der auf einer breiten Basis validierte Simulationsansatz bedarf keiner weiteren Modellkalibrierung und kann einfach auf neue Entwicklungsanwendungen appliziert werden.

Für die Entwicklung des Klopfmodells wurde zunächst ein bereits vorhandenes Selbstzündungsmodell verwendet. Nachdem dieses an vielen Betriebspunkten mit umfangreichen Variationen der Betriebsbedingungen validiert wurde, wurden zwei neue Klopfkriterien entwickelt und ebenso an vielen Betriebspunkten mit umfangreichen Variationen der Betriebsbedingungen validiert. Das entwickelte Klopfmodell kann die Klopfgrenze sehr genau vorhersagen und stellt im direkten Vergleich zu momentan vorhandenen Klopfmodellen eine wesentliche Verbesserung dar. Somit trägt das in diesem Projekt entwickelte Klopfmodell einen wichtigen Teil zur Verbesserung der 0D/1D-Simulation im Entwicklungsprozess von Benzinmotoren bei.