Einsatz von CFD für das Rapidprototyping von Fahrzeugzuheizern

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1 Einsatz von CFD für das Rapidprototyping von Fahrzeugzuheizern Dipl.-Ing. Melanie Grote 1, Dr.-Ing. Klaus Lucka 1, Prof. Dr.-Ing. Heinrich Köhne 1, Dipl.-Ing. Günther Eberspach 2, Dr.-rer. nat. Bruno Lindl 2, Dipl.-Ing.(FH) Walter Blaschke 2 1 Oel-Wärme-Institut (OWI) ggmbh, Herzogenrath, 2 Eberspächer GmbH & Co. KG, Esslingen Zusammenfassung Im Rahmen einer Prototypenentwicklung eines Fahrzeugzuheizers wird die Strömung und Verbrennung innerhalb des Brenners abgebildet (CFD). Mit Hilfe von Variationsrechnungen können die Einflüsse auf die Gemischbildung und Verbrennung ermittelt werden. Darauf aufbauend können Empfehlungen für den Aufbau der Prototypen erarbeitet werden. Einsatz von kompakten Verdampfungsbrennern als Fahrzeugzuheizer Für automobile Anwendungen werden Fahrzeugzuheizer als Verdampfungsbrenner mit einer drucklosen Brennstoffzufuhr ausgeführt. Dabei wird der Kraftstoff (Diesel oder Benzin) über ein saugfähiges Vlies zugeführt. Über Konvektion ausgekoppelte Verbrennungswärme dient zur Verdampfung des Kraftstoffes. Aufgrund des geringen Abstandes zwischen Eintritt und vollständiger Verdampfung des Kraftstoffes lässt dieses System im Vergleich zu herkömmlichen auf Zerstäubung basierenden Brennersystemen ein geringeres Brennraumvolumen zu. Der entwickelte Prototyp eines schnellstartenden Verdampfungsbrenners beinhaltet zusätzlich eine elektrische Beheizung. Durch Integration eines elektrischen Kraftstoffverdampfers können die Startzeit und Kaltstartemissionen reduziert werden. Rapidprototyping mit Hilfe von CFD Bei der Prototypen-Entwicklung des Verdampfungsbrenners werden begleitend zu den Versuchen am Messobjekten Strömungssimulationen und -messungen durchgeführt. Ziel dieser Entwicklungsarbeit ist die Optimierung der Gemischaufbereitung und Verbrennung. Durch Einsatz von CFD (CFX/TASCflow) lässt sich die Anzahl der Versuche reduzieren. Mit Hilfe von Variationsrechnungen können Voraussagen zum Verbrennungsverhalten und Gemischbildung bei veränderten

2 Randbedingungen gemacht werden. Dies ermöglicht eine zielgerichtetere Durchführung von Versuchen am Messobjekt. Kriterien für die Verbesserung des Betriebsverhaltens des Verdampfungsbrenners stellen die Ablagerungsbildung, Abgasemissionen, Bandbreite der Ruß- und Kohlenmonoxidbildung sowie die Startzeit dar. Innerhalb des Verdampfungsbrenners tritt die Luft über Bohrungen in der Brennkammerwand in den zylinderförmigen Brennraum ein. Aufgrund des verwendeten Verdichters und der Geometrie der Luftzufuhr ist die Strömung drallbehaftet. Mittels Simulation werden neben dem Drallwinkel der Luftströmung die Geometrie der Brennkammer wie die Anzahl, Anordnung und Position der Bohrungen sowie die Anordnung und Größe der Flammenblende variiert. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird der Strömungsverlauf mit und ohne Verbrennung in der Brennkammer berechnet. Dabei dient n-heptan als Modellbrennstoff. Die Verdampfung des Kraftstoffs wird nicht berücksichtigt. Aufgrund des geringen Einflusses auf das Ergebnis der Rechnungen werden Wärmeleitung und - strahlung vernachlässigt. Für die Berechnung der Verbrennung wurde das Eddy Dissipation Model mit einem Reaktionsschritt genutzt. Im Hinblick auf die Rechenzeit und aufgrund der Symmetrie der Brennkammer sind Rechnungen am Teilmodell möglich. Zur Auflösung von Unsymmetrien in der Luftanströmung und in der Geometrie werden aber auch Simulationsrechnungen am Vollmodell durchgeführt. Für die Validation der Simulation und zur Bestimmung von Randbedingungen steht ein Messobjekt zur Verfügung. Strömungsmessung Sowohl die Beschaffenheit der Luftströmung in die Mischeinrichtung als auch die Strömung aus den Bohrungen in die Brennkammer wird mit Hilfe der Hitzdrahtanemometrie vermessen. Diese Daten werden als Eingangsgrößen für die Simulationsrechnungen verwendet. Des Weiteren konnten anhand der Luftströmung aus den Bohrungen die Ergebnisse der Rechnungen bestätigt werden. Wie Abbildung 1 zeigt, ist die Strömung der Luft in die Mischeinrichtung inhomogen. Durch Einsatz eines technischen Gebläses und Störungen durch Einbauten variiert sowohl die Geschwindigkeit als auch der Drall über dem Umfang der Brennkammer.

3 Diese Abweichungen werden über ein entsprechend angepasstes Geschwindigkeitsprofil berücksichtigt Position / Uhrzeit Position / Uhrzeit Geschwindigkeit in % vom Mittelwert Drallwinkel in % vom Mittelwert Abbildung 1: Gesamtströmungsgeschwindigkeit und Drall der Luftströmung in die Mischeinrichtung über den Kreisumfang Ergebnisse der Strömungssimulation Abbildung 2 zeigt das Strömungsprofil ohne Verbrennung für die 1. Version des Verdampfungsbrenners. Es bilden sich zwei gegensinnig rotierende Drehströmungen aus. Der Stoffübergang und die Verdampfung des Kraftstoffes verbessern sich mit steigender tangentialer Strömungsgeschwindigkeit und Wärmeeintrag. Zur Optimierung des Mischungsprozesses wird die Strömung vor dem Verdampfer für unterschiedliche Bohrungsgrößen und -positionen näher untersucht. Luft Verdampfer Flamm blend Flammenblende Achse Abbildung 2: Strömungsprofil innerhalb des Verdampfungsbrenners ohne Verbrennung In Abbildung 3 sind die Strömungsgeschwindigkeiten der Variationen dargestellt. Für die Konstruktion des Verdampfungsbrenners muss ein Kompromiss zwischen

4 geringem Druckverlust und ausreichender Strömungsgeschwindigkeit vor dem Vlies gefunden werden. 100 Abstand von der Achse in % vom Radius Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 5 Variante 6 Variante Strömungsgeschwindigkeit in % vom Maximalwert Abbildung 3: Strömungsgeschwindigkeiten vor dem Verdampfer für unterschiedliche Varianten und ohne Verbrennung Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Mischungsverhaltens bietet der Drall der Luftströmung in die Mischeinrichtung. Abbildung 4 zeigt für unterschiedliche Bohrungen und Drallwinkel die Kohlenwasserstoffkonzentrationen vor dem Verdampfer. Die Berechungen wurden ohne Verbrennung durchgeführt. Für den untersuchten Verdampfer und Winkelbereich nimmt die Konzentration im Bereich der Achse mit steigendem Drallwinkel zu. 100 Abstand von der Achse in % vom Radius Variante 1 / Drall 1 Variante 2 / Drall 1 Variante 3 / Drall 1 Variante 1 / Drall 2 Variante 2 / Drall 2 Variante 3 / Drall ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 C 7 H 16 -Konzentrationen in g/g Gasgemisch Abbildung 4: Heptankonzentration vor dem Verdampfer und ohne Verbrennung für unterschiedliche Varianten

5 Im Vergleich zur isothermen Strömung verschwindet die rechtsdrehende Rezirkulation im Strömungsprofil mit Verbrennung, vgl. Abbildung Abbildung 5: Strömungsprofil innerhalb des Verdampfungsbrenners mit Verbrennung Wichtig bei dem Aufbau des Verdampfungsbrenners ist die ausreichende Bereitstellung von thermischer Wärme aus der Flamme für die Verdampfung des Kraftstoffes. Hinweise darauf bieten die berechneten Temperaturen vor dem Verdampfer gemäß Abbildung 6. Durch Variation des Drallwinkels und der Bohrungen verändert sich der mit der Drehströmung zurückgeführte Abgasstrom und damit die Temperatur im Bereich des Verdampfers. 100 Abstand zur Achse in % vom Radius Variante 1 / Drall 1 Variante 2 / Drall 1 Variante 3 / Drall 1 Variante 1 / Drall 2 Variante 3 / Drall Temperatur in % vom Maximalwert Abbildung 6: Temperaturverlauf vor dem Verdampfer für unterschiedliche Varianten Beim Vergleich der Vollmodellsimulation mit den Versuchsergebnissen konnte eine gute Übereinstimmung erzielt werden. Es zeigte sich, dass sich in Bereichen mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten Ruß ablagert, vgl. Abbildung 7.

6 Geschwindigkeit hoch niedrig Abbildung 7: Vergleich Kohlenstoffablagerungen und Strömungsfeld (links: Verdampfer, rechts: Flammenblende) Eine Veränderung der Temperaturen vor dem Vlies ergibt sich auch durch Variation der Kraftstoffzugabe über dem Verdampfer. Die Kraftstoffdosierung hängt insbesondere von dem Aufbau des Verdampfers, dem Kraftstoff und den Betriebsbedingungen ab. Abbildung 8 vergleicht das Temperaturprofil auf dem Verdampfer für die gleichmäßige Zugabe und der zum Rand hin zunehmenden Kraftstoffzugabe. Durch die ungleichmäßige Kraftstoffzufuhr steigt die Temperatur insbesondere in der Mitte des Verdampfers. Temperatur hoch niedrig Abbildung 8 : Vergleich des Temperaturprofils auf dem Verdampfer (links: gleichmäßige Kraftstoffzugabe, rechts: nach außen hin zunehmende Kraftstoffzugabe) Mit Hilfe der Strömungssimulation können somit grundlegende Erkenntnisse über die Einflüsse unterschiedlicher Betriebsparameter und des Aufbaues ermittelt werden. Darauf aufbauend kann ein optimierter Verdampfungsbrenner konstruiert werden. Danksagung An dieser Stelle möchten wir uns herzlich bei Fa. Eberspächer GmbH & Co. KG für die gute Zusammenarbeit bedanken.