A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE

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1 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Reinhard Tatschl A1.1 Einführung Wirkungsgrad und Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren werden in hohem Maße durch die dreidimensionale turbulente Zylinderinnenströmung, die Kraftstoffeinspritzung sowie durch den eigentlichen Verbrennungsprozess bestimmt. Aufgrund der starken räumlichen und zeitlichen Variabilität der Temperatur und Ladungszusammensetzung im Brennraum während eines Motorzyklus liefern die klassische Zylinderdruckanalyse und Abgasmessungen nur in begrenztem Umfang Informationen über den Einfluss von Brennraumgeometrie, von Parametern des Einspritzsystems und des Brennverfahrens auf die Motorcharakteristik und das Emissionsverhalten. Vor dem Hintergrund zunehmend strenger werdender gesetzlicher Auflagen und Umweltvorgaben ist ein vertieftes Verständnis der Interaktion von Strömung, Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung von wachsender Bedeutung. Angesichts innovativer Brennverfahren und der zunehmenden Vielfalt alternativer Kraftstoffe, gewinnt die computergestützte dreidimensionale Strömungssimulation (Three-dimensional Computational Fluid Dynamics, 3D-CFD) der innermotorischen Ladungsbewegung, Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoffentstehung bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren weiter an Bedeutung. Schon seit mittlerweile einigen Jahren ergänzt die 3D-CFD Simulation innermotorischer Prozesse erfolgreich die bewährten Messtechnik-basierten Werkzeuge der Motorenentwicklung, wie beispielsweise die Zylinderdruckanalyse und die optische Gemischbildungs- und Verbrennungsdiagnostik (siehe Abschn. 9.2 bzw. 9.4). Die erzielbare Genauigkeit der Berechnungsergebnisse und damit der mögliche Beitrag, den die 3D-CFD Simulation für die Entwicklung von Brennverfahren liefern kann, hängt in hohem Maße von der Verlässlichkeit der Modelle ab, die für die Abbildung der im Brennraum stattfindenden physikalischen und chemischen Prozesse, wie beispielsweise Düseninnenströmung, Einspritzstrahlausbreitung, Zündung und Verbrennung sowie die Schadstoffentstehung, herangezogen werden. Als Ergebnis intensiver weltweiter Forschungs- und Entwicklungs- Dr.-techn. Reinhard Tatschl B AVL LIST GmbH, Graz, Österreich Reinhard.tatschl@avl.com G. P. Merker und R. Teichmann (Hrsg.), Grundlagen Verbrennungsmotoren, ATZ/MTZ-Fachbuch, DOI / , Springer Fachmedien Wiesbaden

2 1086 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE arbeit in den vergangenen Jahrzehnten steht heute zu diesem Zweck eine Vielzahl von Ansätzen zur Verfügung, die sich durch unterschiedliche Modellierungstiefe und Vorhersagegenauigkeit auszeichnen. Einen Überblick über den theoretischen Hintergrund der verschiedenen Modelle und Modellierungsansätze für die 3D-CFD Simulation von Verbrennungsmotoren findet der Leser in den Kap. 14, 15 und 16. Das vorliegende Kapitel gibt einen Überblick über die heute in der ingenieurwissenschaftlichen Praxis gebräuchliche 3D-CFD Methodik zur Simulation der Vorgänge in Verbrennungsmotoren. Die Beschreibung der einzelnen Arbeitsschritte bei der 3D-CFD Modellierung von Motoren, sowie die Angaben zum Strömungslöser und den einzelnen zur Anwendung gelangenden Teilmodellen, und die in diesem Kapitel gezeigten Berechnungsergebnisse basieren auf dem kommerziellen 3D-CFD Code AVL FIRE. Zunächst wird in grundlegenden Zügen die allgemeine 3D-CFD Berechnungsmethodik dargelegt, die aus den entsprechenden Pre- und Post-Processing Werkzeugen und dem Strömungslöser besteht. Anschließend werden die Modelle beschrieben, die zur Simulation der Düseninnenströmung, der Kraftstoffeinspritzung, der Zündung und Verbrennung sowie der Schadstoffbildung verwendet werden. Zur Veranschaulichung der Anwendbarkeit der Modelle auf unterschiedliche Fragestellungen der Brennverfahrensentwicklung und den damit verbundenen Teilaufgaben werden ausgewählte, repräsentative Berechnungsergebnisse aus den Bereichen Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoffentstehung gezeigt. Beispielhaft werden Berechnungsergebnisse fallweise auch experimentell gewonnenen Daten gegenübergestellt, um den Genauigkeitsgrad darzustellen, der mit den heute verfügbaren Modellansätzen erzielt werden kann. A1.2 3D-CFD Simulationsmethodik Der Arbeitsablauf bei der 3D-CFD Simulation der in Verbrennungsmotoren ablaufenden Prozesse lässt sich in drei grundlegende Schritte unterteilen: die Generierung der Gitternetze, die zur Abbildung des Strömungsbereichs über das relevante Kurbelwinkelintervall benötigt werden; die Festlegung der Anfangs- und Randbedingungen sowie der Einstellungen des Strömungslösers und der physikalischen und chemischen Modelle, die bei der Simulation der maßgeblichen Prozesse im Motor verwendet werden; und schließlich die Nachbearbeitung und Interpretation der Simulationsergebnisse. Für die Abbildung der Geometrie der Ladungswechselorgane und des Brennraums inklusive der bewegten Ventile und Kolben in Form von flexibel adaptierbaren Gitternetzen stehen in AVL FIRE Werkzeuge und Verfahren zur Verfügung, die für alle Arten von fremdgezündeten und kompressionsgezündeten Motoren anwendbar sind. Die Technologie des verwendeten Gleichungslösers ermöglicht die effiziente Berechnung reaktiver, turbulenter Mehrphasenströmungen auf diesen die Kolben- und Ventilbewegung abbildenden Gitternetzen. Geeignete Post-Processing Werkzeuge erlauben das Monitoring des Berechnungsvorgangs sowie die Auswertung und Analyse der Ergebnisse. Die Werkzeuge, die für die Bearbeitung der oben erwähnten Arbeitsschritte verwendet werden, um eine 3D-CFD-Berechnung für Verbrennungsmotoren

3 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1087 auszuführen, sind im vorliegenden Fall über eine vollständig interaktive grafische Benutzeroberfläche zugänglich. A1.2.1 Pre- und Post-Processing Das Pre-Processing Modul von AVL FIRE bietet verschiedene Werkzeuge zur Generierung von Berechnungsnetzen, um die komplexen Geometrien von Verbrennungsmotoren mit ihren beweglichen Teilen, wie Kolben sowie Ein- und Auslassventilen, darzustellen. Die flexible, automatisierte Arbeitsumgebung ermöglicht die zuverlässige und präzise Gittergenerierung für die komplexen dreidimensionalen Berechnungsgebiete. Um den Satz an Berechnungsnetzen zu generieren, der für die Erfassung des gesamten Arbeitsspiels notwendig ist, wird ein Ausgangsgitter, das in der Regel für die Kolben- und Ventilstellung am oberen Totpunkt generiert wird, automatisch entsprechend der Kolben- und Ventilbewegung adaptiert, so dass die geometrischen Verhältnisse für das betrachtete Kurbelwinkelintervall abgebildet werden. Um die Erfordernisse hinsichtlich Genauigkeit und damit Verlässlichkeit der Berechnungsergebnisse zu erfüllen, muss die Qualität der Gitternetze bestimmten Anforderungen genügen. Neben einer sinnvollen räumlichen Gesamtauflösung zur Darstellung des Zylinderinnenraums, einschließlich der ausreichend genauen Auflösung der wandnahen Schichten, bedarf es insbesondere einer präzisen Modellierung der Ventil- und Kolbenbewegung für die korrekte Abbildung der Motorkonfiguration in der 3D-CFD Simulation. Dabei können vom Benutzer verschiedene Herangehensweisen gewählt werden, die sich hinsichtlich ihres Automatisierungsgrades und der Beeinflussbarkeit der Charakteristik der Gitternetze durch den Nutzer voneinander unterscheiden. Die Möglichkeit, mit benutzerdefinierten geometrischen Teilbereichen arbeiten zu können, erlaubt die effiziente Gittervernetzung komplexer Geometrien bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohengitterqualität, Abb. A.1. Topologie, Zellausrichtung und Gitterauf- Abb. A.1 Gitternetz einer Ottomotorkonfiguration, bestehend aus Teilnetzen für Einlasskanal, Ventilsitzbereich und Brennraum

4 1088 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE lösung in kritischen Bereichen, wie zum Beispiel kleinen Spalten, lassen sich durch den Anwender mühelos steuern. Mit Hilfe nicht-konformer und/oder konformer Schnittstellen kann die jeweilige Geometrie leicht in verschiedene Bereiche, wie zum Beispiel Einlasskanal, Ventilsitzbereich und Brennraum, aufgeteilt werden, wodurch die wechselseitige Interaktion verschiedener Teile in Bezug auf Gittertopologie und -verzerrung infolge der Bauteilbewegung vermieden wird. Dadurch wird die Komplexität der Netzgenerierung für das Gesamtberechnungsgebiet auf die Generierung einfacher Teilnetze reduziert, die sich problemlos kombinieren und austauschen lassen, um in einfacher Art und Weise Geometrievariationen oder Änderungen von Ventilhubcharakteristik und Ventilsteuerzeiten vorzunehmen. Für die Gitternetzgenerierung der einzelnen Bauteile stehen wiederum hochspezialisierte Verfahren zur Verfügung. Für den Ventilspaltbereich kann beispielsweise in einfacher Art und Weise ein polar-strukturiertes Gitter generiert werden, das durch optimale Gitterqualität und Gitterbewegungseigenschaften gekennzeichnet ist. Für minimale Durchlaufzeiten bei der Erstellung von Berechnungsnetzen bei maximaler Anwenderfreundlichkeit steht darüber hinaus ein Verfahren zur automatisierten Generierung von einteiligen Gitternetzen für die Gesamtgeometrie zur Verfügung, Abb. A.2. Die automatisch generierten Gitternetze bestehen dabei überwiegend aus Hexaeder-Elementen mit einer kleinen Anzahl von Tetraedern, Prismen und Pyramiden in den Übergangsbereichen von Gebieten mit unterschiedlicher räumlicher Auflösung. Die Wandbereiche bestehen ausschließlich aus Hexaeder-Elementen und Prismen, wobei die Anzahl der wandnahen Schichten bzw. deren Dicke durch den Benutzer vorgegeben werden kann. Intelligente Technologien zur lokalen Gitterverfeinerung und Algorithmen für eine automatische Auflösung geometrischer Details bieten ein Maximum an Flexibilität für alle relevanten Gittergenerierungsaufgaben. Die dynamische Gitteranpassung zur Abbildung von Kolben- und Ventilbewegung basiert auf einer Interpolation zwischen Gittern identischer Topologie und Elementanzahl, die für zwei unterschiedliche Kolben- und Ventilpositionen erstellt werden. Damit können Gitter für praktisch jede Stellung der bewegten Bauteilkomponenten, die zwischen den Positionen der beiden Ausgangsgitter liegen, dargestellt werden. Relevante Extrempositionen der bewegten Bauteile, wie beispielsweise obere und untere Totpunktstellung des Kolbens oder maximaler Ventilhub, werden automatisch detektiert und die jeweiligen Gitter ohne weiteres Zutun des Anwenders generiert. Da die Gitternetze für ein einziges repräsentatives Oberflächenmodell erstellt werden, sind auch vom Benutzer frei definierbare Ventilund Kolbenstellungen als Ausgangspositionen für die Interpolation möglich. Kommt es während der Expansion oder Kontraktion des Gitters infolge der Kolben- und Ventilbewegung zu einer Überschreitung zulässiger Werte für die Gitterqualität, wie beispielsweise für das Seitenverhältnis der Zellen oder des minimal/maximal erlaubten Öffnungswinkels zweier Zellflächen, etc., so werden sogenannte Rezones, d. h. Wechsel der Netztopologie und -auflösung durchgeführt. Damit wird sichergestellt, dass eine optimale Verteilung und Qualität der Zellen über das gesamte betrachtete Kurbelwinkelintervall gewährleistet sind. Das Rezoning-Verfahren kann auf Geometrien beliebiger Komplexität und frei definierbarer Anzahl bewegter Bauteile angewendet werden.

5 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1089 Abb. A.2 Automatisch generiertes Berechnungsnetz für Brennraum und Ein-/Auslasskanäle eines Ottomotors Infolge der oft symmetrischen Anordnung von Einspritzdüse und Kolbenmulde, wie es in der Regel bei modernen Dieselmotoren der Fall ist, werden Analyse und Optimierung des Einspritz- und Verbrennungsprozesses üblicherweise mittels Simulation eines Brennraumteilbereichs ausgeführt. Der untersuchte Strömungsbereich ist dann auf den Brennraumabschnitt um einen einzelnen Kraftstoffstrahl herum beschränkt. Unter Verwendung geeigneter Anfangs- und Randbedingungen wird dabei das Kurbelwinkelintervall vom Schließen des Einlassventils bis zum Öffnen des Auslassventils simuliert. In diesem Fall kann die Generierung des Gitternetzes auf parametrisierte, zweidimensionale Kurven gestützt werden, welche die Geometrie des Brennraums und optional der Einspritzdüse beschreiben. Anhand dieser Ausgangsdaten wird die Generierung der Gitter, die für den Simulationsintervall zwischen dem Schließen des Einlassventils und dem Öffnen des Auslassventils benötigt werden, automatisch ausgeführt, Abb. A.3. Das Gittergenerierungsverfahren erstellt dabei eine von der Kolbenstellung unabhängige Gitternetztopologie für den Einspritzstrahlbereich mit einer festgelegten Anzahl und Orientierung der Berechnungszellen entsprechend der Lage der Einspritzstrahlachse. Dies stellt später in der Berechnung ein Höchstmaß an erzielbarer Genauigkeit bei der Berechnung der Einspritzstrahlausbreitung und Strahlverbrennung sicher. Die Benutzerschnittstelle von AVL FIRE ESE Diesel bietet darüber hinaus alle Funktionen zum Einrichten und Ausführen der gesamten Berechnung des Einspritz- und Verbrennungsprozesses von Dieselmotoren sowie zur Durchführung aller relevanten anwendungsspezifischen Aufgaben betreffend dem Post-Processing der Berechnungs ergebnisse.

6 1090 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Abb. A.3 AVL FIRE Engine Simulation Environment (ESE) Diesel Benutzerumgebung für Gitternetzerstellung und Simulation von Dieselmotoren Abb. A.4 Visualisierung von Simulationsergebnissen für den Einspritzstrahl in einem DI-Ottomotor Die Online-Monitoring und Post-Processing Funktionalitäten von AVL FIRE bieten zahlreiche Funktionen, die unter anderem eine detaillierte Überwachung des Berechnungslaufes sowie der Ergebnisvisualisierung bereits zur Laufzeit gestatten. Während der Simulation ist damit eine Kontrolle des Konvergenzverhaltens und der Ergebnisent-

7 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1091 wicklung möglich, indem der Verlauf von Indikatoren der numerischen Lösung sowie ausgewählte Berechnungsergebnisse in übersichtlicher Form zugänglich gemacht werden. Das Post-Processing Modul ermöglicht darüber hinaus die Generierung von zweiund dreidimensionalen Schnitten zur Visualisierung von skalaren und Vektorgrößen als Iso-Linien, Iso-Werte und Iso-Flächen. Darüber hinaus ist die Anzeige von Tropfen, Partikelstromlinien und Partikelspuren möglich, Abb. A.4. Für die Analyse der Ergebnisse bietet das Post-Processing darüber hinaus die Möglichkeit der Weiterverarbeitung dreidimensionaler Ergebnisdaten, Makro- und Formelfähigkeiten sowie den Import ausgewählter Prüfstanddaten. Für die Präsentation der Ergebnisse verfügt das Post-Processing auch über Schattierungs-, Misch- und Texturierungsoptionen und ermöglicht das Variieren der Objektbeleuchtung, das Zuordnen von Farben, das Einfügen von Text und vorgefertigten Textvariablen, die Generierung farbiger Plots in verschiedenen Formaten sowie die Generierung von Animationen der Berechnungsergebnisse. A1.2.2 Strömungslöser und Lösungsalgorithmus Der Rechenkern des 3D-CFD Codes AVL FIRE löst die allgemeinen Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls und Energie sowie weitere Transportgleichungen für Turbulenzgrößen, für die Erhaltung chemischer Spezies und je nach Art der verwendeten physikalischen und chemischen Teilmodelle zusätzliche skalare Größen, wie zum Beispiel den Reaktionsfortschritt, die Flammoberflächendichte, etc. Das Lösungsverfahren basiert auf einer vollständig konservativen Finite-Volumen- Methode. Alle abhängigen Variablen für Impuls, Druck, Dichte, turbulente kinetische Energie, Dissipationsrate und skalare Größen, wie zum Beispiel chemische Spezies, werden an den Mittelpunkten der Rechenzellen berechnet (Demirdzic et al. 1993). Aufgrund der Verwendung unstrukturierter Gitter kommt der numerischen Genauigkeit des verwendeten Algorithmus besondere Aufmerksamkeit zu. Für die integrale Approximation wird die Mittelpunktregel zweiter Ordnung, für alle Werte an der Zellfläche eine lineare Approximation zweiter Ordnung verwendet. Für die Diskretisierung des Konvektionsterms stehen zahlreiche Verfahren zweiter und höherer Ordnung zur Verfügung. Um im Hinblick auf Struktur und Topologie der verwendeten Gitternetze ein Maximum an Flexibilität zu gewährleisten, kann jede Rechenzelle aus einer beliebigen Anzahl von Zellflächen zusammengesetzt sein. Zur Behandlung dieser polyhedralen Berechnungsvolumina stehen entsprechende Konnektivitäts- und Interpolationsverfahren für Gradienten und Zellflächenwerte zur Verfügung. Die zeitliche Änderungsrate wird unter Verwendung eines impliziten Euler-Ansatzes höherer Ordnung diskretisiert. Das Lösungsverfahren selbst ist iterativ und basiert auf der Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE), das auf turbulente Strömungen bei beliebigen Geschwindigkeiten bis hin zu Überschallströmungen anwendbar ist, Abb. A.5. Zum Lösen der großen linearen Gleichungssysteme, die sich aus der Diskretisierung der zugrunde liegenden Gleichungen ergeben, kommen effiziente Konjugierte-Gradienten- Verfahren mit Präkonditionierung zur Anwendung. Das symmetrische Gradienten-

8 1092 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Abb. A.5 Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzverteilung während des Ansaugtaktes in einem DI-Dieselmotor Verfahren dient dem Lösen von Gleichungen mit symmetrischer Matrix, das bi-konjugierte Verfahren wird für Gleichungen mit asymmetrischer Matrix verwendet. Beide Verfahren werden entweder mit der Unvollständigen Cholesky-Zerlegung oder der Präkonditionierungstechnik nach Jacobi angewendet. Als ein überaus effizientes Verfahren zum Lösen großer dünnbesetzter linearer Systeme bietet AVL FIRE auch das Algebraische Multigrid- Verfahren (AMG) an. Für die Durchführung der Berechnung stehen verschiedene Arten von Anfangs- und Randbedingungen zur Verfügung, die entsprechend der Zielsetzung des jeweiligen Strömungsproblems ausgewählt werden können. Der Gleichungslöser ist speziell abgestimmt auf verbrennungsmotorische Anwendungen und ist in der Lage, Rechenmodelle komplexester Geometrie mit bewegten Grenzen zu bearbeiten. Entsprechend den Erfordernissen unterschiedlicher Anwendungen können transiente Simulationen auf Kurbelwinkeloder Zeitschrittbasis durchgeführt werden. Für die Ausführung auf einer Mehrprozessor- Hardware wird die Methode der Parallelisierung durch Gebietszerlegung verwendet, welche eine zeiteffiziente Lösung von Problemstellungen, die eine große Anzahl von Rechenzellen umfassen, ermöglicht. A1.3 Turbulente Strömung und Wärmeübergang Bei der überwiegenden Anzahl von Strömungsvorgängen im Bereich der Verbrennungsmotoren handelt es sich um turbulente Strömungen. Für eine genaue Berechnung der realen Strömungsverhältnisse ist es daher notwendig, das Phänomen der Turbulenz

9 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1093 möglichst zutreffend modellieren zu können. Das ist deshalb wichtig, weil turbulente Verwirbelungen nicht nur die Details der Fluidströmung selbst bestimmen, sondern auch einen erheblichen Einfluss auf die während der Gemischbildung und der Verbrennung stattfindenden Mischungs- und Reaktionsprozesse ausüben. So ist zum Beispiel in Verbrennungsmotoren die turbulente kinetische Energie ein entscheidender Einflussfaktor für die Ausbreitung und Verdampfung der Tröpfchen eines eingespritzten Flüssigkraftstoffs und die anschließende Verbrennung des Kraftstoff-Luft Gemisches. Neben den üblichen bekannten Turbulenzmodellen, wie zum Beispiel k-ε, Spalart-Allmaras, Reynolds Stress etc., bietet AVL FIRE auch das k-ζ-f Turbulenzmodell an, das speziell für die Strömungs-, Wärmeübertragungs- und Verbrennungsprozesse in Verbrennungsmotoren entwickelt und validiert wurde (Basara 2006). Im Zusammenhang mit der Strömungsmechanik von Verbrennungsmotoren liefert das k-ζ-f-modell genauere Ergebnisse als die einfacheren Modelle vom k-ε Typ und bietet zugleich einen hohen Grad an numerischer Stabilität bei komplexen Strömungen. In Kombination mit einer hybriden Wandbehandlung, wie sie von Popovac und Hanjalic (2005) vorgeschlagen wurde, wobei die Integration bis zur Wand mit gängigen Wandfunktionen kombiniert wird, ist das k-ζ-f Turbulenzmodell universell auf allgemeine Gitternetze und Strömungssituationen mit beliebigen, sinnvollen Werten von y+ in Wandnähe anwendbar. Heute ist der k-ζ-f Ansatz das Standardmodell für die Modellierung von turbulenter Strömung und des turbulenten Wandwärmeübergangs in verbrennungsmotorischen Anwendungen von AVL FIRE. Von besonderem Vorteil ist dabei die Verlässlichkeit des Modells bei der Berechnung von Problemstellungen mit bewegten Bauteilen und bei hochverdichteten Strömungen, wie man sie in Verbrennungsmotoren findet. In Verbindung mit der hybriden Wandbehandlung garantiert das k-ζ-f Modell die optimale Lösung für alle Gitternetze im Hinblick auf Verlässlichkeit, Rechenzeit und Genauigkeit, Abb. A.6. Abb. A.6 Berechnete Stromlinien und Turbulenzverteilung während der Einlassströmung in einem Ottomotor unter Verwendung des k-ζf-turbulenzmodells (Tatschl et al. 2006)

10 1094 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE A1.4 Mehrphasenströmung in der Einspritzdüse Die größte Herausforderung bei der Simulation von Düseninnenströmungen sind die auftretenden Mehrphasenprozesse, die in AVL FIRE auf der Grundlage eines Multifluid- Ansatzes und anhand von Teilmodellen für die Berechnung verschiedener Phänomene, wie zum Beispiel Kavitation, Flash-Boiling, etc., modelliert werden. In diesen Simulationen werden die Eigenschaften des Einspritzsystems durch Offline- oder Direkteinbindung der CFD-Methodik in eindimensionale Hydrauliksimulationen berücksichtigt (Chiavola und Palmieri 2006; Caika et al. 2009). Die Berechnung der Düseninnenströmung in AVL FIRE stützt sich auf den allgemeinsten Ansatz zur Simulation mehrphasiger Strömungen, das Eulersche Multifluid-Verfahren. Die einzelnen Fluide werden dabei als kontinuierliche Phasen angesehen, wobei auf jedes Fluid die entsprechenden Erhaltungsgesetze angewendet werden. Die mikroskopischen Grenzflächen werden mittels einer Ensemblemittelungstechnik approximiert. Dies führt zu makroskopischen Erhaltungsgleichungen, die ihren einphasigen Gegenstücken analog sind, sich aber dadurch unterscheiden, dass die neue Variable Volumenfraktion sowie weitere Austauschterme zwischen den Phasen eingeführt werden (Drew und Passmann 1998). In seiner gegenwärtigen Umsetzung ist der verwendete Mehrphasen-Ansatz in der Lage, jede beliebige Anzahl von Phasen zu verarbeiten. Aufgrund der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten des Multifluid-Verfahrens werden die Phasenaustauschterme entsprechend den verschiedenen Arten von Simulationsproblemen, wie zum Beispiel Kavitation, Flash-Boiling, etc., flexibel modelliert. Der Massenaustausch aufgrund von Kavitation wird mittels der Rayleigh-Gleichung approximiert, wobei ein gleichförmiges Druckfeld für alle Phasen und je nach Art des gewählten Kavitations-Teilmodell eine monodisperse oder polydisperse Größenverteilung der Kraftstoffdampfblasen angenommen wird (Wang et al. 2005). Optional werden die bekannten, um Mehrphasenanteile erweiterten k-ε oder k-ζ-f Turbulenzmodelle verwendet, wobei für jede Phase separate Erhaltungsgleichungen gelöst werden. Mit Hilfe des Multifluid-Ansatzes ist es möglich, Strömungen in Diesel- und Benzineinspritzdüsen numerisch zu simulieren, wobei Kavitationsphänomene sowohl im Düsenloch- als auch im Nadelsitzbereich berücksichtigt werden können. Anhand der Simulationsergebnisse kann festgestellt werden, in welchen Bereichen Kavitation auftritt, bzw. kann die Form und Ausdehnung von kavitationsinduzierten kraftstoffdampfhaltigen Regionen untersucht werden, Abb. A.7. Darüber hinaus können die Auswirkungen verschiedener Düsengeometrien und Düsenkonfigurationen, wie zum Beispiel des Düsentyps (VCO, SAC, etc.), oder Variationen des Düsenlochdurchmessers, des Durchmesser-Längen Verhältnisses sowie der Einspritzstrategien auf einfache Weise analysiert werden (Chiatti et al. 2007). Die errechneten Ergebnisse geben auch detaillierte Informationen zur Geschwindigkeit, Turbulenzintensität und zur Volumenfraktion des dampfförmigen Kraftstoffs am Austritt der Einspritzdüse. Diese Informationen können entweder für eine direkte Beurteilung der Primärzerfallseigenschaften des die Düse verlassenden Kraftstoffstrahls (Tatschl

11 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1095 Abb. A.7 Berechnete Kavitationscharakteristik in einer Dieseleinspritzdüse et al. 2000a), oder als Eingangsbedingung für eine anschließende Simulation des Kraftstoffstrahls im Brennraum von Verbrennungsmotoren für Dieseleinspritzvorgänge (Chiavola und Palmieri 2006), und Benzineinspritzung (Greif et al. 2005), verwendet werden. Darüber hinaus kann die Vorhersage von Kavitationsphänomenen im Kontext der Analyse und Optimierung von Einspritzdüsen und Komponenten von Einspritzanlagen in Bezug auf das Auftreten von kavitationsinduzierter Erosion (Greif et al. 2005), und für die numerische Untersuchung der thermischen Bedingungen in Dieseleinspritzdüsen (Leuthel et al. 2008), verwendet werden. A1.5 Kraftstoff-Spray und Wandfilm In Verbrennungsmotoren mit direkter oder indirekter Kraftstoffeinspritzung hängt die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse in Bezug auf die zeitliche und räumliche Verteilung des Kraftstoff-Luft Gemisches und damit die Genauigkeit der anschließenden Verbrennungssimulation in hohem Maße von der Vorhersagefähigkeit der eingesetzten Modelle ab, die für die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, sowie die Bildung und den Transport des Wandfilms verwendet werden (Bianchi et al. 2006; Bianchi et al. 2007; Musu et al. 2006). AVL FIRE enthält ein umfassendes Modellpaket für die Berechnung der Flüssigkraftstoffeinspritzung, der Kraftstoffzerstäubung, des sekundären Aufbrechens der Tröpfchen, der Verdampfung, der Tröpfchen-Wand Interaktion, etc. Der vorliegende Abschnitt gibt eine Übersicht zu den Modellen, die für die Simulation der bei Diesel- und Benzineinspritzstrahlausbreitung stattfindenden Prozesse zur Verfügung stehen.

12 1096 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Abb. A.8 Tröpfchenverteilung und Dampfkonzentration während der Kraftstoffeinspritzung im Brennraum eines DI-Dieselmotors A1.5.1 Diskrete Tröpfchen-Spray Methode Das Spraymodell, das derzeit vorzugsweise für die Simulation der Einspritzstrahlausbreitung und Gemischbildung in Verbrennungsmotoren genutzt wird, basiert auf der Lagrangschen Discrete Droplet Method (DDM) (Dukowicz 1980). Während die kontinuierliche Gasphase durch die Eulerschen Erhaltungsgleichungen beschrieben wird, wird der Transport der dispersen Phase durch Nachverfolgung der Trajektorien repräsentativer Tröpfchenpakete berechnet. Ein solches Paket besteht dabei aus einer Anzahl von Tröpfchen, welche alle die gleichen physikalischen Eigenschaften besitzen und sich in der gleichen Weise verhalten, wenn sie sich bewegen, aufbrechen, auf eine Wand treffen oder verdampfen. Die Berechnung der Paketbewegung erfolgt mittels eines Teilzyklusverfahrens innerhalb der einzelnen Zeitschritte des Gasphasenlösers unter Berücksichtigung der Kräfte, die durch die Gasphaseauf die Pakete ausgeübt werden, sowie des damit verbundenen Wärmeund Massenübergangs, Abb. A.8. Die Kopplung zwischen der Flüssig- und der Gasphase erfolgt mittels Quelltermaustausch für Masse, Impuls, Energie und Turbulenzinteraktionsvorgänge. Wenn Tröpfchenpakete in den Strömungsbereich eingebracht werden, so werden als Anfangsbedingung Informationen zur Startposition und -richtung, Größe, Geschwindigkeit und Temperatur benötigt. AVL FIRE unterstützt die Einbringung von Tröpfchen, welche die Düse in Form eines Sprühstrahls (Spray) verlassen, unter vom Anwender festgelegten Bedingungen oder alternativ unter Bedingungen, die als Ergebnisdaten einer vorausgegangenen Düseninnenströmungssimulation bereitgestellt werden. Der zweite Ansatz ermöglicht es, die Auswirkungen der Düseninnenströmung auf das Primärzerstäubungsverhalten des aus der Einspritzdüse austretenden flüssigen Kraftstoffs zu erfassen und damit auf die anschließende Sprayform und die Entwicklung der Tröpfchengrößenverteilung in vollem Umfang zu berücksichtigen (Tatschl et al. 2000b; Chiavola und Palmieri 2006).

13 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1097 Für die Modellierung der Primärzerstäubung bietet AVL FIRE zwei grundlegende Optionen innerhalb des DDM. Der erste Ansatz basiert auf der Einbringung einer Reihe großer Tröpfchen von der Größe des Düsenlochdurchmessers, die den kohärenten Flüssigkeitsstrahl repräsentieren, wobei ihr Durchmesser sich anschließend gemäß der aus dem Primärzerfallsmodell errechneten Massenablösungsrate verringert (Fink et al. 2009). Der zweite Ansatz basiert auf der Berechnung der Erosion der aus dem Spritzloch austretenden kohärenten flüssigen Kraftstoffsäule auf Basis eines separaten Teilmodells sowie der daran anschließenden Freisetzung von Tröpfchenpaketen stromabwärts der Düse, wobei dabei die freigesetzten Tröpfchen bereits deutlich kleiner als der Düsendurchmesser sind (v. Berg et al. 2005). Beide Modelle nutzen detaillierte Informationen aus vorangegangenen Simulationen der kavitierenden Düseninnenströmung zum Berechnen der Rate des Primärzerfalls und der daraus resultierenden Ligament- oder Tröpfchengröße. Diese Vorgangsweise erlaubt eine direkte Verknüpfung der Einspritzstrahlsimulation mit den Düseninnenströmungsbedingungen, was sich für eine präzise Sprayinitialisierung und die anschließende Simulation der Gemischbildung in Dieselmotoren als entscheidend erwiesen hat (Masuda et al. 2005; Nagaoka et al. 2008). Die Schnittstelle von Düseninnenströmungs- und Einspritzstrahlsimulation erfolgt dabei über den Austausch von geometrischen sowie detaillierten zeitlich aufgelösten Strömungsdaten im Querschnitt des Düsenaustritts. Der Sekundärzerfall der Kraftstofftröpfchen ist ein an den primären Strahlzerfall anschließender Prozess innerhalb des Sprühkonus, der infolge Interaktion mit der Gasströmung auf die einzelnen Tröpfchen wirkt, bis eine stabile Tröpfchengröße erreicht ist. Die Zerfallsregime, die durch entsprechende Modelle erfasst werden, sind Deformationszerfall, Blasenzerfall, Grenzschichtablösung, Kapillarwellenablösung und Totalzerfall durch Raleigh-Taylor-Instabilität (v. Künsberg Sarre und Tatschl 1998). Das turbulente Dispersionsmodell behandelt die Interaktion der einzelnen Tröpfchen mit den lokalen turbulenten Wirbeln des Strömungsfeldes. Jede Interaktion wirkt auf die Tröpfchen entsprechend der Momentangeschwindigkeit der Wirbel und der Trägheit des Teilchens. Kollisions- und Koaleszenzmodelle beschreiben die Wahrscheinlichkeit und die Auswirkungen des Aufeinanderprallens von Tröpfchen anhand einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, welche die Häufigkeit und die Art von Kollisionsereignissen bestimmt. Eine Entwicklung jüngeren Datums berücksichtigt auch Randkollisionen und Splashing- Effekte (Stralin 2006). Verzerrungs- und Luftwiderstandsmodelle berücksichtigen schließlich die Verformung der Tröpfchen aufgrund aerodynamischer Bedingungen und den daraus resultierenden Einfluss auf den Luftwiderstandskoeffizienten des Tröpfchens. Für die korrekte Berechnung von Verdampfungsprozessen existieren verschiedene Ansätze zum Modellieren der Tröpfchenerwärmung und des Stoffübergangs von der Flüssigkeit ins Gas, Abb. A.9. In der ursprünglichen Form der Modellansätze werden sphärische Tröpfchen, quasi-stationäre Bedingungen an der Tröpfchenoberfläche, eine homogene Tröpfchentemperatur und Zirkulation im Inneren angenommen. Wärme- und Stoffübertragungskoeffizienten werden entsprechend den physikalischen Gesetzen für jedes Modell

14 1098 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Abb. A.9 Kraftstoffstrahlausbreitung und Verteilung des Kraftstoff-Luft Verhältnisses in Wandnähe während des Kaltstarts eines DI-Dieselmotors 20 Kurbelwinkel (links) und 30 Kurbelwinkel (rechts) nach dem oberen Totpunkt Abb. A.10 Kraftstofftröpfchenverteilung und Wandfilmbildung in einem DI-Ottomotor individuell angesetzt. Zusätzlich stehen Korrekturfunktionen zur Verfügung, um die oben genannten Simplifikationen für Wärmeübergang, Tröpfchenverformung oder Zirkulation im Inneren zu kompensieren. Darüber hinaus ist ein Mehrkomponenten-Verdampfungsansatz verfügbar, der die Berechnung des Verdampfungsprozess von Tröpfchen ermöglicht, die aus einer beliebigen Anzahl einzelner Komponenten bestehen (Brenn 2007). In der Praxis hat es sich als zielführend erwiesen, in Verbrennungsmotoren eingesetzte Kraftstoffe

15 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1099 durch etwa vier bis sechs Spezies darzustellen, um ihr durch die Flüchtigkeit der einzelnen Komponenten bestimmtes Verdampfungsverhalten ausreichend genau zu approximieren. Wandinteraktionsmodelle beschreiben das Verhalten eines auf eine Wand auftreffenden Kraftstofftröpfchens in Abhängigkeit von Parametern wie Tröpfchengeschwindigkeit, Durchmesser, physikalische Eigenschaften, Rauigkeit der Wandoberfläche und Temperatur. Bei sehr geringen Aufprallgeschwindigkeiten haften die Tröpfchen an der Wand oder gehenindenwandfilmüber,abb.a.10. Mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit wird eine Dampf- oder Gasgrenzschicht unter den Tröpfchen gebildet und verursacht ein Abprallen der Flüssigkeit bei Annäherung an eine Wand. Während des Abprallens werden Teile der kinetischen Energie dissipiert, und die Geschwindigkeit des abprallenden Tröpfchens ist gewöhnlich niedriger als seine Annäherungsgeschwindigkeit. Eine weitere Zunahme der Geschwindigkeit hat entweder das Ausbreitungs- oder das Splashing-Regime zur Folge. Tröpfchen-Splashingmodelle sind erst vor kurzem dahingehend erweitert worden, dass die Wandtemperatur zur Bestimmung des anzuwendenden Splashing-Regimes berücksichtigt wird (Birkhold et al. 2007). A1.5.2 Euler Spray Modell Das oben beschriebene Diskrete-Tröpfchen-Modell eignet sich besonders für verdünnte Sprays, hat aber Limitierungen in Bezug auf die Modellierung dichter Sprays nahe dem Düsenaustritt (wo Gas- und Tröpfchenphase eng miteinander gekoppelt sind) und die statistische Konvergenz im Zusammenhang mit lokaler Gitterverfeinerung. Ein alternativer Ansatz zum DDM basiert auf der Verwendung eines Eulerschen Verfahrens, das verschiedene Größenklassen der Spraytröpfchen als separate, einander durchdringende Phasen betrachtet. Das aktuell verfügbare Modell basiert auf dem Eulerschen Mehrphasen-Ansatz, der durch Ensemblemittelung der maßgebenden Erhaltungsgleichungen abgeleitet ist (Alajbegovic et al. 1999). Für jede Phase werden Impuls- und Energieerhaltungsgleichungen sowie entsprechende Gleichungen für die turbulente kinetische Energie und deren Dissipationsrate berechnet. Innerhalb jeder Rechenzelle sind die Tröpfchenphasen durch eine bestimmte Volumenfraktion und einen bestimmten Durchmesser sowie optional durch die Tröpfchenanzahl beschrieben (v. Berg et al. 2001). Alle Austauschprozesse im Zusammenhang mit der Tröpfchengröße oder der spezifischen Oberfläche der Tröpfchenphasen werden entsprechend modelliert, d. h. die physikalischen Eigenheiten der relevanten Prozesse werden durch grenzflächenbezogene Austauschterme zwischen den Phasen berechnet. Dazu werden spezifische Modelle für die Berechnung von Zerfalls- und Verdampfungsprozessen angewendet. Bei den Zerfallsprozessen wird wieder unterschieden zwischen primärem Strahlzerfall, bei dem das Aufbrechen des zunächst kohärenten Strahlkerns in großskalige Ligamente und weiter in individuelle Tröpfchen betrachtet wird, und dem Sekundärzerfall, bei dem das Aufbrechen großer, instabiler Tröpfchen infolge aerodynamischer Wechselwirkungskräfte in kleine, stabile Tröpfchen erfolgt. Des Weiteren beeinflussen Luftwiderstandskräfte und turbulente Dispersionskräfte die Impulswechselwirkung zwischen der gasförmigen und der flüssigen Tröpfchenphase, welche entsprechend modelliert werden. Schließlich be-

16 1100 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Abb. A.11 Chimera-Gitter (links) und Berechnungsergebnis der ACCI-gekoppelten Euler/LagrangschenBerechnung der Einspritzstrahlausbreitung (rechts) (Edelbauer et al. 2006) schreibt ein Verdampfungsmodell den Stoff- und Wärmeaustausch zwischen Flüssig- und Gasphase (v. Berg et al. 2003; Vujanovic et al. 2008). Der Spritzlochaustritt wird vollständig durch das Eulersche Spraygitter aufgelöst, weshalb es zweckmäßig ist, die Einlassrandbedingungen aus einer separaten Düsenströmungsberechnung abzuleiten, welche die Strömungsfelddaten an der Düsenöffnung bereitstellt. Der entsprechende Datensatz enthält Information zur Geometrie des Düsenauslasses und die Strömungsdaten in ausreichender zeitlicher Abfolge, die das Eulersche Spraymodell als Randbedingung für die Flüssig- sowie im Fall von Kavitation für die Dampfphase verwendet. Die Turbulenzinformation aus der Düseninnenströmungssimulation wird im Primärzerfallsmodell für die Berechnung der Zerfallsrate und des sich einstellenden stabilen Tröpfchendurchmessers herangezogen. Die Verbindung des Eulerschen Spraymodells mit der Berechnung des dispersen Kraftstoffstrahls und der Verbrennung im Brennraum wird über ein Chimera-Gitterverfahren realisiert, Abb. A.11,dasmitdemAVLCodeCoupling Interface (ACCI) arbeitet (Edelbauer et al. 2006; Suzzi et al. 2007). A1.5.3 Wandfilmtransport Das in AVL FIRE verfügbare Wandfilmmodell ermöglicht die Simulation der Filmbildung, des Filmtransports und seiner Verdampfung, Abb. A.10. Es berücksichtigt die Wandfilm- Interaktion mit der Gasströmung und dem Flüssigkraftstoffstrahl sowie die Auswirkungen der Oberflächenrauigkeit auf den Filmtransport. Der verwendete Modellierungsansatz basiert auf der Annahme, dass die Gas- und die Wandfilmströmung als separate einzelne Phasen betrachtet werden können. Die numerische Realisierung des Wandfilmmodells verwendet ein zweidimensionales Finite-Volume-Verfahren zur Diskretisierung der Wandfilmgleichungen an den Wänden der betrachteten Brennraum- und Kanalgeometrien (Stanton und Rutland 1998).

17 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1101 Die Kopplung der Gasphase und des flüssigen Wandfilms erfolgt über einen Massenund Impulsaustausch zwischen dem Film und der Gasphase an der Filmoberfläche unter Verwendung semi-empirischer Beziehungen. Dabei wird angenommen, dass die Filmoberfläche parallel zur Wand verläuft und dass die Filmdicke im Verhältnis zu den Abmessungen der Gasströmungsregion klein ist. Unter der Annahme eines dünnen Films dominieren Wandreibung und Scherkräfte an der Grenzfläche zwischen Film und Gasströmung das Filmverhalten stärker als Trägheitskräfte und seitliche Scherung. Die relevanten physikalischen Effekte, die Einfluss auf die Filmbildung und die Filmströmung haben, wie zum Beispiel das Mitreißen des Films (Reißen oder Abscheren an der Oberfläche aufgrund der hohen Scherkräfte), die Interaktion mit dem auftreffenden Kraftstoffstrahl, der Wärmeübertragung zwischen Film, Wand und Gasphase, die Filmverdampfung (einschließlich des Verdampfens von aus mehreren Komponenten bestehenden Kraftstofffilmen) sowie Scherkräfte zwischen den Phasen und Schwerkraft werden über entsprechende Teilmodelle approximiert (Ishii und Mishima 1989; Birkhold et al. 2006, 2007). A1.6 Verbrennung Die Modellierung der Verbrennungschemie und der Interaktion von Turbulenz und Chemie während der Oxidation von Kohlenwasserstoffen ist die entscheidende Herausforderung bei der Simulation von turbulenten, reaktiven Strömungsprozessen. Die reaktionskinetischen Vorgänge typischer Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe beinhalten Hunderte von Zwischenspezies, und ihre Reaktionspfade umfassen gewöhnlich mehrere hundert bis mehrere tausend Reaktionsschritte. Weder sind die Reaktionsdetails und die zugehörigen Ratenkoeffizienten relevanter Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe ausreichend bekannt, noch wäre es aufgrund des zu bewältigenden Rechenaufwandes möglich, sämtliche Reaktionen in einer 3D-CFD Berechnung zu berücksichtigen. Die enge Koppelung zwischen der Reaktionschemie und den Strömungsfeldgrößen ergibt sich aus der ausgeprägten Nichtlinearität der chemischen Reaktionsraten in Verbindung mit den lokalen stochastischen Fluktuationen der Temperatur- und Konzentrationsfelder. In der Praxis wird üblicherweise ein Mittelungsverfahren verwendet, das die momentanen Strömungsfeldgrößen durch seine mittleren und fluktuierenden Komponenten ersetzt. Mathematisch führt dies zum Auftreten von Termen in den Erhaltungsgleichungen, welche statistische Korrelationen von fluktuierenden Komponenten enthalten, die auf der Grundlage bekannter mittlerer Strömungsgrößen ausgedrückt werden müssen. In den vergangenen Jahrzehnten wurde eine große Vielfalt von Modellen unterschiedlicher Komplexität entwickelt, um die Selbstzündungs- und Verbrennungschemie von Kohlenwasserstoffen und darauf aufbauend die mittlere Reaktionsrate in den relevanten Erhaltungsgleichungen quantitativ zutreffend zu modellieren. Abhängig vom spezifischen Brennverfahren und damit den zugrunde liegenden Verbrennungsregimes werden spezifische Modelle benötigt, um die bestimmenden physikalischen und chemischen Prozesse in ausreichender Genauigkeit zu erfassen.

18 1102 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Im Folgenden werden die Modelle, die in AVL FIRE für die Berechnung von Zündund Verbrennungsprozessen in kompressions- und fremdgezündeten Motorkonfigurationen zur Verfügung stehen, im Überblick kurz vorgestellt. A1.6.1 Dieselverbrennung Für die Berechnung des Verbrennungsprozesses in Dieselmotoren unterscheidet das heute gebräuchlichste Verbrennungsmodell zwischen den drei Hauptregimen, die während der kompressionsgezündeten Verbrennung eine Rolle spielen: Selbstzündung, Verbrennung mit vorgemischter Flamme und nicht-vorgemischte Diffusionsverbrennung, Abb. A.12. Die Vorreaktionen der Selbstzündung werden innerhalb der vorgemischten Zylinderladung, bestehend aus Kraftstoff, Luft und Restgas berechnet, wobei der Zündverzug durch die lokale Temperatur, den Druck, das Kraftstoff-Luft Verhältnis und die Menge an Restgas bestimmt wird. Auf die lokale Selbstzündung folgt die vorgemischte Verbrennung des Gemisches aus Kraftstoff, Luft und Restgas, das im Zeitraum zwischen Einspritzbeginn und Einsetzen der Selbstzündung gebildet wird. Das dritte Regime ist das der Diffusionsverbrennung, bei der die chemischen Reaktionen in einer dünnen Zone, die Kraftstoff und Sauerstoff trennt, ablaufen. In dem aktuellen Modell wird angenommen, dass die chemischen Zeitskalen in der Reaktionszone kleiner sind als die Zeit, die für den Diffusionsprozess benötigt wird. Infolgedessen wird die Reaktionsrate während der Diffusionsverbrennung durch die turbulente Mischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft bestimmt, Abb. A.13. Die Mischungsintensität wird dabei auf Basis einer charakteristischen Zeitskala berechnet (Colin und Benkenida 2004). Dank dieser klaren Trennung der verschiedenen Zünd- und Verbrennungsregime ist das vorliegende Modell besonders für die konventionelle aber auch für die alternative Dieselverbrennung geeignet (Tatschl et al. 2007; Priesching et al. 2007). Im Fall konventioneller Dieselverbrennung kann davon ausgegangen werden, dass der größte Teil der Verbrennung vom Diffusionstyp ist, Abb. A.14. Im Fall alternativer Verbrennung wird der Kraftstoff im vorgemischten Selbstzündungs- und Verbrennungsregime verbraucht, Abb. A.15. Auf- Abb. A.12 Kraftstofftröpfchen, Temperatur- Iso-Oberfläche und Temperaturverteilung in einer Schnittebene entlang der Einspritzstrahlachse während der DI-Dieselverbrennung

19 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE 1103 Abb. A.13 Kraftstoffdampfkonzentration (links) und Temperaturverteilung (rechts) in einem DI- Dieselmotor in einem Schnitt durch den Brennraum 10 Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt Pressure [bar] Pressure Measurement Pressure Calculation Rate of Heat Release Measurement Rate of Heat Release Calculation Rate of Heat Release [J/deg] Crank Angle [deg] Abb. A.14 Vergleich des errechneten und gemessenen Zylinderdruckverlaufs und Wärmefreisetzungsrate für konventionelle Dieselverbrennung (Tatschl et al. 2007) grund seiner generischen Natur kann das Modell für alle Arten von Kraftstoffen verwendet werden, die für heutige und zukünftige Verbrennungskonzepte von Verbrennungsmotoren von Bedeutung sind. Für die Vorhersage der Selbstzündung werden vorberechnete Zündverzugsdaten verwendet, die in so genannten Look-Up Tabellen gespeichert sind und die in AVL FIRE für die heute gebräuchlichen Kraftstoffe abgerufen werden können. Die Erstellung dieser Tabellen basiert auf der Grundlage reaktionskinetischer Berechnungen unter Verwendung komplexer Reaktionsmechanismen (Curran et al. 1998). Die tabellierten Werte werden als Funktionen der Parameter Druck, Temperatur, Kraftstoff-Luft Verhältnis und Restgasgehalt gespeichert. Die Bandbreite dieser Parameter ist so gewählt, dass die relevanten Bedingungen für Druck, Temperatur und Zusammensetzung des Ladungsgemisches im

20 1104 A1 3D-CFD Simulation mit dem kommerziellen Code AVL FIRE Pressure [Pa] Pressure Measurement Pressure Calculation Rate of Heat Release Measurement Rate of Heat Release Calculation Rate of Heat Release [J/deg] Crank Angle [deg] Abb. A.15 Vergleich des errechneten und gemessenen Zylinderdruckverlaufs und Wärmefreisetzungsrate für die HCCI-Dieselverbrennung (Priesching et al. 2007) Zylinder vor der Verbrennung erfasst werden können. Für die eigentliche Bestimmung des Selbstzündverzuges in der CFD-Simulation wird eine Transportgleichung für eine Indikatorspezies gelöst, wobei deren Bildungsrate aus den tabellierten Werten abgeleitet wird. Sobald der lokale Wert der Indikatorspezies einen bestimmten Schwellwert erreicht, wird die Selbstzündung eingeleitet. Die Kraftstoffabbrandrate wird dann durch eine charakteristische chemische Zeitskala gesteuert, die eine schnelle Verbrennung nach der Selbstzündung gewährleistet (Colin et al. 2005). Der Prozess der Kohlenwasserstoffoxidation während der Hochtemperaturverbrennung wird in der Berechnung in drei Hauptreaktionsschritte unterteilt. Kraftstoff wird zunächst teilweise zu CO und zu CO 2 oxidiert, in der Folge reagiert CO in Verbindung mit weiteren Reaktionen unter der Teilnahme von O, H und OH Radikalen, erfasst über einen chemischen Gleichgewichtsansatz, und führt schließlich zur finalen Spezieszusammensetzung, vornehmlich dominiert von den stabilen Produkten der Verbrennung, CO 2 und H 2 O. Die oben beschriebenen Verbrennungsreaktionen erfassen den für innermotorische Verbrennungsvorgänge relevanten Bereich der Gemischzusammensetzung von mager bis fett sowie die in der Praxis auftretenden Restgasgehalte. Neben der Wärmefreisetzung in der Flamme und den stabilen Endprodukten der Verbrennung, stellt der verwendete Ansatz alle relevanten Informationen über CO und Radikalspezies bereit, die für die anschließende Berechnung der Schadstoffe wichtig sind. Neben der oben beschriebenen Verbrennungsmodellierung bietet AVL FIRE eine breite Vielfalt weiterer Modelle für spezielle Anwendungen im Bereich der Analyse kompressionsgezündeter Verbrennungsabläufe, wie zum Beispiel ein Modell der turbulenten Verbrennung, das in Kombination mit einem geeigneten Selbstzündungsmodell auf die