Optimierung der Einlasskanalgeometrie eines Ottomotors mit Hilfe transienter CFD Simulationen

Hofer, Martin

Zur Reduzierung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs werden moderne Verbrennungsmotoren kontinuierlich weiterentwickelt. Bei der Geometrieoptimierung einzelner Bauteile nimmt die numerische Strömungssimulation (CFD) eine immer wichtigere Rolle ein. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Prozesskette zur Einlasskanaloptimierung mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen vorgestellt, die eine bereits vorhandene Methode weiterentwickelt. Gängige Verfahren verwenden zur Beschreibung der Ladungsbewegung eine stationäre Kennzahl, was insbesondere bei alternativen Ventilhubstrategien, wie dem frühen Schließen der Einlassventile, eine starke Vereinfachung darstellt. Mit einer modifizierten, vollautomatisierten Prozesskette kann die stationäre Kennzahl durch eine transiente ersetzt werden, um so eine motornahe und damit realistischere Bewertung der Ladungsbewegung zu erzielen. Die vorliegende Arbeit beschreibt alle hierfür erforderlichen Prozessschritte. Als Zielgröße zur Bewertung der Ladungsbewegung wird die Tumblezahl verwendet. Um eine zusätzliche stationäre Simulation zur Berechnung der Durchflusszahl zu vermeiden, wird aus dem Ansaugvorgang eine entsprechende Durchflusskennzahl ermittelt. Bei der CFD Simulation stellt das Auffinden eines geeigneten Kompromisses zwischen Genauigkeit und Rechenzeit die größte Herausforderung dar. Hierfür werden zum einen Vergleiche mit PIV-Messungen durchgeführt und zum anderen wird das Systemverhalten eines parametrisierten Einlasskanalmodells mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen ermittelt und verglichen. Im Kontext einer Optimierung hat sich das k-Epsilon Modell als bester Kompromiss erwiesen. Um zusätzlich die Anzahl an Simulationen gering zu halten, kommt als Optimierungsverfahren eine ersatzmodellgestützte Optimierung zum Einsatz. Abschließend wird die Optimierung der Einlasskanalgeometrie eines modernen 2,0l Ottomotors vorgestellt. Dafür werden zunächst die wesentlichen Faktoren des parametrisierten Einlasskanalmodells identifiziert. Aus der anschließenden Optimierung ergibt sich eine Kanalvariante, die bei gleicher Ladungsbewegung ein erhöhtes Durchflussverhalten aufweist. Eine Validierung am Motorprüfstand belegt das verbesserte Durchflussverhalten und zeigt keinen negativen Einfluss auf das übrige Motorverhalten. Damit bestätigt sich das gewählte Vorgehen und die Wahl der Zielgrößen, die es erlauben beliebige Ventilhubstrategien im Rahmen einer Einlasskanaloptimierung zu berücksichtigen.

Modern combustion engines are being continuously further developed to comply with the increasingly stricter directives and laws. To reach that goal each individual component is being optimised. In this context the computational fluid dynamics (CFD) play an increasingly important role. In this thesis, an existing process chain for the intake port optimisation using CFD is being further developed. Common methods for the optimisation of intake port geometries use a steady-state index to describe the charge motion, which in particular in the case of alternative valve lift strategies such as the early intake valve closure, represents an oversimplification. With increasing computation power and a fully automated process chain, the steady-state index can be replaced by a transient one to ensure a better evaluation of the charge motion. This thesis describes all required process steps, from the definition of suitable objectives to the CFD simulation and further to a possible optimisation strategy. The tumble number is used as objective to evaluate the charge motion. To avoid an additional steady-state simulation for determining the discharge coefficient, a corresponding index is calculated from the intake stroke. To detect an appropriate compromise between accuracy and computation cost comparisons with PIV measurements on an optical engine are carried out. Furthermore the system behaviour of a parametrised intake port model is calculated with different turbulence models and compared. Regarding an optimisation process, the k-epsilon-model has proven to be the best compromise. To additionally keep the number of simulations low, an optimisation strategy based on a mathematical substitute model is used. Finally, the optimisation of the intake port geometry of a modern 2.0l gasoline engine is presented. Based on mathematical substitute models the essential parameters of the parameterised intake port model are identified. The following optimisation results in a port variant that significantly improves the discharge coefficient at a constant charge motion level. All further numerical studies as well as the validation at the engine test rig, confirm the improved discharge behaviour and show no negative effect concerning the rest of the engine behaviour. This confirms the chosen approach and the choice of the objectives that allow any valve lift strategy to be considered within the framework of an intake port optimisation.

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Hofer, Martin: Optimierung der Einlasskanalgeometrie eines Ottomotors mit Hilfe transienter CFD Simulationen. Aachen . Shaker.

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