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Large-Eddy and System Simulation to predict Cyclic Combustion Variability in gasoline engines

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Mit modernen Prognoseinstrumenten zu umweltfreundlicheren Motordesigns

Die Entwicklung von Verbrennungsmotoren steht im Hinblick auf Kraftstoffeffizienz und Emissionen unter dem Vorzeichen immer strengerer Auflagen. Mit EU-Hilfe entwickelte moderne Modellierungsinstrumente werden dazu beitragen, die Leistungsziele beginnend bei den Frühphasen des Designs zu erfüllen.

Industrielle Technologien

In mehreren neuartigen Motoren steckt das Potential, die mit der konventionellen Verbrennung verbundenen Probleme abzubauen. All diese Technologien leiden jedoch an einer Zyklus-zu-Zyklus bzw. zyklischen Verbrennungsvariabilität (cyclic combustion variability, CCV), die deren Leistung begrenzt. Bislang fehlte detailliertes Wissen über die Faktoren und Betriebsarten, die eine zyklische Verbrennungsvariabilität bei speziellen Motortypen auslösen. Die an dem EU-finanzierten Projekt LESSCCV arbeitenden Wissenschaftler entschieden sich deshalb dafür, diese Lücke durch Ausnutzung der jüngsten Fortschritte bei komplexen Design-Instrumenten zu füllen, bei denen numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) zum Einsatz kommt. Das Konsortium entwickelte Multiskalen-CFD-Instrumente zur Simulation des Gesamtmotors einschließlich der Brennkammer sowie der Ein- und Auslasskanäle. Die Tools koppeln die Strömung in den Ein- und Auslasskanälen beschreibende eindimensionale (1D) CFD-Codes mit 3D-CFD-Codes (Grobstruktursimulation, Large-Eddy-Simulation, LES). Damit können turbulente Wechselwirkungen und die Verbrennung innerhalb der Brennkammer oder des Zylinders nachgewiesen werden. Die Instrumente wurden bei der Untersuchung der zyklischen Verbrennungsvariabilität bei drei Typen von Benzinmotor angewandt, die eine Fülle komplexer Daten zur weiteren Analyse ergab. Die Wissenschaftler konnten das Modell durch den Vergleich der Ergebnisse mit experimentellen Daten validieren und ermittelten für jeden Motortypen die wichtigsten Ursachen der zyklischen Verbrennungsvariabilität. Das verbesserte Wissen über die zyklische Verbrennungsvariabilität führte Ausarbeitung neuartiger und weniger rechenintensiver (reduzierter CCV) Modelle, die in gleichem Maße das Verhalten vorhersagen können. Fallstudien zu Motoren und Fahrzeugen zeigten Wege auf, auf welche Weise die neuartigen Designs die zyklische Verbrennungsvariabilität reduzieren und die Effizienz steigern könnten. Die Anwendung der LESSCCV-Instrumente und Resultate wird zweifellos maßgeblich dazu beitragen, in Sichtweite des kurzfristig zu erreichenden Ziels effizienterer und umweltfreundlicherer Verbrennungsmotoren für den Verkehrssektor zu gelangen. Die prädiktiven Design-Tools werden nicht nur die Umweltbelastung durch den Verkehr senken, sondern auch die Wettbewerbsfähigkeit der in der EU angesiedelten Motorenhersteller steigern.

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