Numerische Simulation

0-D-Simulation/Druckverlaufsanalyse

Bei der Druckverlaufsanalyse erfolgt die Berechnung des Brennverlaufs, das heißt des Zeitverlaufs der Freisetzung chemisch gebundener Energie aus dem Kraftstoff, ausgehend von einem gemessenen Zylinderdruckverlauf. Da keine räumlichen Gradienten der Zustandsgrößen berücksichtigt werden, wird die Betrachtung als nulldimensional bezeichnet. Die Druckverlaufsanalyse stellt ein wichtiges Werkzeug zur Analyse der an Motorprüfstanden ermittelten experimentellen Ergebnisse dar.

Am IFKM wird aktuell zur Druckverlaufsanalyse das am Institut entwickelte Tool BREMO eingesetzt. Das Programm wird kontinuierlich um neue Modelle erweitert, die eine genauere Abbildung einzelner Aspekte wie Gemischbildung oder Wandwärmeübergang auch für neuartige Brennverfahren ermöglichen.

1-D-Simulation

Die eindimensionale Simulation der Gasdynamik im Saug- und Auspuffsystem ist heute ein allgemein akzeptiertes Werkzeug in der Motorenentwicklung. Eingesetzt werden kann sie beispielsweise zur Auslegung von Ventilsteuerzeiten, sie dient aber auch der Analyse des Motorprozesses von bereits auf dem Prüfstand laufenden Motoren. Richtig eingesetzt kann sie Zugang zu Daten verschaffen, die experimentell nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand erfasst werden können (z.B. Restgasgehalt).

Für die 1-D Simulation stehen am Institut kommerzielle Simulationstools (z.B. GTPOWER von Gamma Technologies Inc.) zur Verfügung.

3-D-Simulation

Die dreidimensionale numerische Simulation ermöglicht es, den gesamten Arbeitsprozess vom Ladungswechsel über die Einspritzung und Gemischbildung bis hin zur Verbrennung detailliert zu analysieren. Die Simulation hat dabei das Ziel, die zeitliche und räumliche Entwicklung von Druck, Dichte, Temperatur, Geschwindigkeit und Zusammensetzung des Arbeitsmediums zu beschreiben. Die Basis hierfür stellen die physikalischen Grundgesetze der Erhaltung von Masse, Impuls und Energie dar.

Für die 3-D-Simulation wird am IFKM das kommerzielle Softwarepaket STARCD von CD-adapco eingesetzt. Dieses bietet zahlreiche Schnittstellen, die es ermöglichen, eigene Modelle in den Strömungslöser zu integrieren. Die Schwerpunkte unserer Modellentwicklung liegen in der Modellierung der Direkteinspritzung sowie der Selbstzündung und Verbrennung.

Ferner setzen wir auch das Tool AVL Fire ein und betrachten hier v.a. die Restgasentwicklung in Vorkammer-Zündkerzen und den Brennverlauf nach der Zündung.