Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse und Modellierung des Einflusses der Direkteinspritzung auf die Turbulenz sowie auf den Homogenisierungsgrad im Brennraum für die Motorprozessrechnung

Direkteinspritzung gehört bei modernen Ottomotoren aufgrund zahlreicher Vorteile inzwischen zu den Standardtechnologien, ihr Einfluss auf die Turbulenz und Homogenität im Brennraum kann von bestehenden 0D/1D-Modellen jedoch nicht abgebildet werden. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, Untermodelle hierfür zu entwickeln und in bestehende Turbulenz-, Brennverlaufs- und Zyklenschwankungsmodelle zu integrieren, woraus ein wertvoller Gewinn an Vorhersagekraft erreicht wird.

Der Lösungsweg sieht vor, aufbauend auf der Methodik des erfolgreichen Vorgängervorhabens, zunächst aufbauend auf 3D-CFD-Simulationen als Referenz den Einfluss der Direkteinspritzungen auf die Ladungsbewegung (z. B. Tumble) zu analysieren und so das bestehende Turbulenzmodell weiterzuentwickeln. Analog soll mit 3D-CFD-Simulationen als Referenz aus Kenngrößen des Ladungswechsels, dem erweiterten Turbulenz- und Ladungsbewegungsmodell sowie charakteristischen, zu entwickelnden Kennzahlen ein phänomenologisches Homogenisierungsmodell entwickelt werden. Dieses soll dann schließlich in die bestehenden Brennverlaufs- und Zyklenschwankungsmodelle in geeigneter Form integriert werden.

Als Ergebnis stehen verbesserte Modelle zur Verfügung, mit denen erstmals im 0D/1D-Bereich der Einfluss von Direkteinspritzungen bei Ottomotoren vorhersagefähig simuliert werden kann. Damit wird dann bspw. die Entwicklung von Mehrfacheinspritzstrategien für eine optimierte Gemischhomogenisierung ebenso möglich wie die Berücksichtigung von Homogenisierungsunterschieden bei variablen Ventilsteuerzeiten.

KMU als Entwicklungsdienstleister, Zulieferer von Systemkomponenten, Anbieter von Simulations- und Analysetools sowie als Anbieter im Bereich Vermessung/Applikation profitieren von den Forschungsergebnissen in besonderem Maße, da sie die entwickelten Modelle mit geringem Aufwand integrieren, unmittelbar nutzen und so ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit steigern können.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden mehrere quasidimensionale Modelle eingeführt und validiert, welche die Vorhersagefähigkeit der 0D/1D-Simulation für Ottomotoren weiter erhöhen. So wurde ein bestehendes Ladungsbewegungs- und Turbulenzmodell um die Effekte der Direkteinspritzung erweitert. In Abhängigkeit von Injektorparametern wie Injektorlage, Einbauwinkel, Einspritzzeitpunkt und Raildruck können die Tumbleintenistät und das Turbulenzniveau vorhergesagt werden. Des Weiteren wurde darauf aufbauend ein Homogenisierungsmodell eingeführt, welches den zeitlichen Ablauf der Vermischung von Kraftstoff, Luft und Restgas beschreibt und in der Lage ist, den Homogenisierungsgrad vorherzusagen. Zur Berücksichtigung in einer Arbeitsprozessrechnung wurde das Homogenisierungsmodell in ein bestehendes Brennverlaufsmodell integriert und der Effekt von Inhomogenitäten auf die Verbrennung abgebildet. Dabei konnte mit abnehmendem Homogenisierungsgrad eine zunehmende Reduktion der Brennraten gezeigt werden.

Die Modelle können in nahezu allen Phasen der Motorenentwicklung verwendet werden, insbesondere in der frühen Konzeptphase. Da Homogenisierung und Turbulenz maßgeblich die Verbrennung beeinflussen, können die Modelle verwendet werden, um Maßnahmen hinsichtlich ihrer Effizienz zu beurteilen und somit den Wirkungsgrad von Ottomotoren weiter zu erhöhen.