Numerische Untersuchung der Gemischbildung in Gasmotoren

Abstract

Zur Unterstützung der Entwicklung eines effizienten und emissionsarmen Mager-Schichtbrennverfahrens für mit CNG (Compressed Natural Gas) betriebene Ottomotoren wird im Rahmen dieser Arbeit ein Workflow für die numerische Strömungssimulation der Direkteinblasung von CNG in den Brennraum eines Ottomotors mittels RANS-basierter kommerzieller Simulationswerkzeuge vorgestellt. Die anhand der Simulation zu untersuchenden Einflussgrößen auf die Gemischbildung umfassen hierbei unter anderem die Geometrie des Motors (Kolbendesign) sowie des Injektors (Anzahl und Anordnung der Düsenbohrungen) und auch den Systemdruck sowie den geeigneten Zündzeitpunkt. Vorab wurden numerische sowie experimentelle Voruntersuchungen der Düseninnenströmung sowie des Überschallgasfreistrahls im Nahbereich der Düsenöffnung am Injektor für verschiedene Injektortypen (Einloch-, Mehrloch- und Ringspaltinjektor) durchgeführt. Diese umfassen die Simulation der Gasströmung im Inneren des Injektors sowie stromabwärts der Düsenöffnung für die transiente Phase des Öffnens sowie bei voll geöffnetem Injektor. Des Weiteren wurden die mit den Injektoren erzeugten Gasstrahlen an optisch zugänglichen Druckkammern mithilfe von Streulichtaufnahmen und planaren LIF-Messungen experimentell untersucht. Im Zuge der Voruntersuchungen wurden Erkenntnisse hinsichtlich der Strahlphänomenologie bei Verwendung der verschiedenen Injektortypen abgeleitet. Dazu gehört die Neigung zu Strahl-Strahl- und Strahl- Wandinteraktion sowie zu Kondensation im Gasstrahl in Abhängigkeit des herrschenden Druckverhältnisses. Aufbauend auf diese Voruntersuchungen wurde eine Strategie für die Simulation der Direkteinblasung von CNG unter realen Motorgeometrien abgeleitet. Dazu gehört die Wahl einer geeigneten Vernetzungsstrategie für Düse und Motor sowie die Wahl eines geeigneten Turbulenzmodells. Aufgrund der unterschiedlichen relevanten Längenskalen musste ein Kompromiss zwischen der Gitterauflösung im Düsennahbereich und der resultierenden Gesamtzellenanzahl des aufgebauten Modells geschlossen werden. Zur Initialisierung des Hochdruckgasfreistrahls im Brennraum wurde die tatsächliche Düsengeometrie diskretisiert und mit dem Motornetz über eine nichtkonforme Grenzfläche verbunden. Ein Abgleich mit verfügbaren optischen Messdaten zeigte deutliche Defizite der für RANS standardmäßig eingesetzten Wirbelviskositätsmodelle in der Berechnung des turbulenten Stofftransports in der Scherschicht zwischen Überschallgasstrahl und umgebender ruhender Luft. Die aus der Boussinesq-Formulierung resultierende Annahme isotroper turbulenter Spannungen führt bei der betrachteten Strahlphänomenolgie in der Simulation zu deutlich unterschätztem Turbulenztransport senkrecht zum Strahl, sodass die Gemischhomogenisierung verzögert ist. Leichte Verbesserungen in der Gemischhomogenisierung gegenüber den Ergebnissen mit den Wirbelviskositätsmodellen konnten mit einem algebraischen Reynoldsspannungsmodell erzielt werden, welches der Anisotropie des turbulenten Spannungstensors näherungsweise Rechnung trägt. Für ausgewählte Injektor- und Kolbengeometrien erfolgte die Strömungssimulation der Gemischbildung im Brennraum für einen ausgewählten Teillastbetriebspunkt. Es zeigte sich, dass die Wahl eines Muldenkolbens einen positiven Einfluss auf die Gemischbildung haben kann, da sich die Gemischwolke an der Zündkerze stabilisieren lässt. Hinsichtlich verschiedener Mehrlochinjektorvarianten erwies sich ein möglichst großer Abstand zwischen den Düsenbohrungen als vorteilhaft, da sich hierdurch die Neigung zum Strahlkollaps bei steigenden Druckverhältnissen etwas verringern lässt.