Modellierung der Verbrennung in einem Dieselmotor
Dieselmotoren ermöglichen beim Einsatz in Schwerlastfahrzeugen, Bussen und nicht straßengebundenen Anlagen eine umfangreiche Kraftstoffersparnis, zudem weisen sie eine höhere Lebensdauer auf. Eine Reduzierung der Menge an Stickoxiden (NOx) und Feinpartikeln, die mit dem mageren Dieselabgas ausgestoßen werden, bleibt weiterhin eine technologische Herausforderung. Die Ingenieure stehen hier vor einem Problem, bei dem mehrere Parameter gleichzeitig optimiert werden müssen: Wird der Kraftstoff unter hohen Drücken in den Verbrennungsraum eingespritzt, wird hierdurch die Rußemission reduziert, allerdings erhöht sich gleichzeitig der Anteil der Stickoxide im Abgas. Numerische Hilfsmittel, mit denen Vorhersagen gemacht werden können, wurden während des MINNOX-Projekts entwickelt, um die für eine Ausbalancierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionsbildung wichtigen Instrumente bereitstellen zu können. Die Wissenschaftler an den Forschungseinrichtungen der Volvo Technology Corporation haben an einer realistischeren Modellierung der wandgebundenen turbulenten Strömungen gearbeitet. Hierbei handelt es sich um notwendige Vorarbeiten für eine genaue Vorhersage der Wandreibung und des Wärmeübergangs, sowie um für die thermische Analyse der Komponenten verlässliche Randbedingungen liefern zu können. Submodelle für jede Strömung und für jeden Verbrennungsvorgang innerhalb des Verbrennungsraums des Motors wurden zuerst unter Verwendung des hauseigenen Solvers für die numerische Strömungsmechanik (CFD, Computational Fluid Dynamics) MERMAID validiert. Es konnte festgestellt werden, dass die Modelle, die den Wärmeübergang auf die Kolben des Motors sowie die Abgasrückführung berücksichtigen, für ein weites Spektrum an Betriebsbedingungen des Motors genaue Ergebnisse liefern. Sie haben zudem zu Verbesserungen geführt, durch welche Vorhersagen zur Bildung von Rückständen und Kohlenstoffablagerungen in der Umgebung der Kolben ermöglicht werden könnten. Hierdurch ist eine Erhöhung der Lebensdauer des Motors möglich. Daneben wurde die Möglichkeit untersucht, unabhängig von einem CFD-Solver zu arbeiten, zudem wurden gleichzeitig Schnittstellen zu kommerziell erhältlichen CFD-Solvern wie dem weit verbreiteten STAR-CD-Code entwickelt. Gleichzeitig wurde aber die von Ingenieuren geforderte Leistungsfähigkeit und Robustheit der CFD-Berechnungen von Strömungen und Verbrennungsabläufen nicht vernachlässigt.
