Modellbildung und Simulation

Simulationsmethoden GenLab

In nahezu allen Forschungsprojekten des Gas Engine Laboratory findet eine enge Verzahnung von Experiment und Simulation statt. Auf Basis umfangreicher Messdaten werden virtuelle Abbilder – „digitale Zwillinge“ – der realen Versuchsträger in verschiedenen Modellierungsstufen erstellt und zur Bearbeitung wissenschaftlicher Fragestellung verwendet. Beginnend bei Grundlagensimulationen zu Zündverzugszeiten und Flammengeschwindigkeiten mit Hilfe von 0D-Simulation, findet eine Steigerung des Detaillierungsgrades über 1D-Motorprozessmodelle bis hin zur gekoppelten 3D-Simulation von Brennraumströmung, Verbrennung (3D-CFD) und Wärmeleitung in (bewegten) Brennraumkomponenten (FEM) statt (à Conjugate Heat Transfer – CHT). Ergänzend zur 1D-Motorprozessimulation finden Mehrkörpersimulationsmodelle (MKS) des Ventiltriebs Verwendung, die Aussagen bzgl. der mechanischen Belastung von Ventiltriebkomponeten erlauben und zur Bestimmung von Schleifkoordinaten für die Fertigung von optimierten Nockenprofilen eingesetzt werden. Durch die detaillierte Abstimmung der Simulationsmodelle können „generalisierende“ Modelle erzeugt werden, die das reale Motorverhalten wiedergeben und prognostizieren können. Umfangreiche Parameterstudien können somit mit virtuellen Prototypen kosten- und zeiteffizient durchgeführt. Zielführende Konfigurationen können anhand der Simulationsdaten bestimmt und mit einer minimalen Anzahl realer Prototypen am Prüfstand validiert werden. Ferner erlauben detailliert abgestimmte Simulationsmodelle Analysen zu nur sehr schwer bis hin zu nicht messbaren physikalischen Phänomenen.

0D-Simulation

  • Tool: Cantera, AVL Fire
  • Zündverzugszeiten, laminare Flammengeschwindigkeiten
  • Verbrennungsrechnung: detaillierte Chemie

1D-Simulation

  • Tool: AVL Boost
  • Motorprozesssimulation und -analyse
  • Ladungswechseloptimierung und Steuerzeitenauslegung
  • Analyse und Auslegung thermodynamischer Prozessbedingungen (z.B. HCCI)
  • Verbrennungsrechnung: detaillierte Chemie, Verbrennungsmodelle

3D-CFD / CHT

  • Tool: AVL Fire
  • Analyse der Brennrauminnenströmung
  • Auslegung und Analyse von Kolbengeometrien und Steuerzeiten
  • Analyse von Vorkammer- und Schirmgeometrien bei Vorkammerzündkerzen und Oberflächenzündsystemen
  • Analyse unterschiedlicher Einspritzstrategien bei Wasser-Direkt-/Saugrohreinspritzung
  • Verbrennungsrechnung: detaillierte Chemie, tabulierte Chemie, Verbrennungsmodelle

MKS

  • Tool: AVL Excite
  • Analyse von Ventiltriebkräften
  • Erstellung von Schleifkoordinaten zur Fertigung optimierter Nockenkonturen