IGF 206 EN
Wandwärmeübertragungsprozess im Ottomotor

Dieses Projekt ist das Resultat einer Forschungsaufgabe, die von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e.V. gestellt und am Fachgebiet für Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) der Technischen Universität Darmstadt (TUDa) unter der Leitung von Prof. Dr. habil. Andreas Dreizler und am Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme (LAV) der Eidgenössische Technische Hochschule Zürich unter der Leitung von Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos bearbeitet wurde.

Das Projekt kombiniert fortschrittliche optische Diagnostik und hochgenaue Direkte Numerische Simulationen (DNS), für ein besseres Verständnis der Wandwärmeübertragungsprozesse von Ottomotoren unter geschleppten und gefeuerten Bedingungen. Zu diesem Zweck wurden auf der experimentellen Seite mehrere optische Diagnostiken simultan kombiniert: Hochauflösende Particle Image Velocimetry (PIV) und Particle Tracking Velocimetry (PTV) zur Auflösung der Geschwindigkeits-grenzschicht über dem Kolben, Thermographische Phosphor-Thermometrie (TPT) zur ortsaufgelösten Messung der Wandtemperatur und Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) von SO2 zur Bestimmung der Flammenenpropagation. Für die komplementären numerischen Simulationen wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, der Prozessberechnungen (GT-Power), skalenauflösende Detached- und Large-Eddy-Simulationen (DDES und LES) und DNS beinhaltet. Gut kalibrierte GT-Power-Modelle waren erforderlich, um Randbedingungen für die DDES und LES zu liefern, die wiederum die Anfangsbedingung für die DNS liefern. Ausreichende Zyklen für konvergierte Statistiken wurden mit dem skalen-auflösenden Ansatz berechnet, der sorgfältig mit Hilfe der gemittelten experimentellen Strömungsfelder validiert wurde. Unter Verwendung der Anfangsbedingungen aus der LES beim Schließen des Einlassventils wurde die erste DNS einer realen Motorgeometrie für einen geschleppten und einen gefeuerten Kompressions-/Expansionstakt erfolgreich durchgeführt. Es wurden geeignete Verfahren zur räumlichen Mittelung entwickelt, die einen Vergleich mit den Daten der wandnahen Geschwindigkeitsgrenzschicht ermöglichen und eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment zeigen.

Ergebnisse

Es zeigte sich, dass sich die fluiddynamische und thermische Grenzschicht unterschiedlich entwickeln: Erstere wird durch Änderungen der Geschwindigkeit der Kernströmung (großskaliger Tumble und dessen Zerfall) beeinflusst, während letztere monoton dem/der Druckanstieg/Reynolds-Zahl folgen. Sowohl die skalierte fluiddynamische als auch die thermische Grenzschicht weisen keinen logarithmischen Bereich auf, und das kanonische Wandgesetz gilt nicht. Es wurden mehrere Quellen für Abweichungen davon, sowohl in der fluiddynamischen als auch in der thermischen Grenzschicht, extrahiert. Für den gefeuerten Fall wurde festgestellt, dass die frühe Flammenkernentwicklung durch die starke konvektive Tumble-Strömung signifikant beeinflusst wir. Bei langsamer Flammentwicklung kann sich diese nicht gegen die starke Konvektion ausbreiten. Es wurde ein Kriterium weiterentwickelt, das eine Unterscheidung zwischen Head-on- und Sidewall-Quenching ermöglicht. Zusätzlich zu diesen physikalischen Erkenntnissen bietet die große Menge an hochauflösenden experimentellen und vollständig aufgelösten numerischen Daten, die in diesem Projekt generiert wurden, eine umfassende Datenbank für die Validierung bestehender CFD-Werkzeuge und wurde für die Entwicklung verbesserter Modelle für den Wandwärmestrom verwendet. Zusammen mit den vorgeschlagenen Best-Practice-Richtlinien kann dieses Projekt als ein wichtiger Schritt in Richtung zukünftiger, effizienterer Ottomotoren angesehen werden.

Förderung

Das Forschungsvorhaben wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF/CORNET-Nr. 206 EN) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) e. V. aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Außerdem wurde es von dem Schweizer Bundesamt für Energie (Fördernummer SI/501930-01) und Eigenmitteln (Fördernummer 601286) der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e.V. finanziell gefördert. Der Schlussbericht des Vorhabens kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e.V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de, Tel.: +49 69 6603 1352).