IGF 20909 N

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine umfangreiche experimentell-numerische Benchmark-Plattform zur Unterstützung der industriellen Nutzung skalenauflösender Motor-Simulationen erstellt. Der Fokus lag dabei auf dem Zündzeitpunkt und frühen Flammenausbreitung. Dafür wurden die Prozesse im Zylinder mithilfe kombinierter hochauflösender optischer Messmethoden und Simulationen detailliert untersucht und analysiert. Die Untersuchungen umfassten Betriebspunkte mit unterschiedlichen Einspritzstrategien und Zündzeitpunkten, wie sie für das Katheizen von Relevanz sind. Experimentell wurden die High-Speed Particle Image Velocimetry (PIV) zur Strömungsfeldmessung und Flammenvisualisierung, Mie-Streuung zur Charakterisierung des Sprays und Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) zur Visualisierung des Mischungsfeldes zum Zündzeitpunkt eingesetzt. Parallel dazu wurde ein Simulationsworkflow entwickelt und skalenaufgelöste Large-Eddy-Simulationen (LES) und Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Simulationen (RANS) der Betriebspunkte auf Basis der experimentell ermittelten Randbedingungen durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Die Beobachtungen zeigten, dass die frühe Einspritzung einen erheblichen Einfluss auf die Zylinderinnenströmung hat und den Tumble von der Zündkerze weg in Richtung Abgasseite verschiebt. Die Untersuchungen offenbarten auch eine starke Abhängigkeit der Flammenausbreitung von lokalen Strömungsstrukturen. Generell breitet sich bei allen Betriebspunkten die Flamme in Richtung Einlass aus. Eine späte Einspritzung konnte die frühe Flammenausbreitung stabilisieren und damit die generell höheren zyklischen Schwankungen der spät gezündeten Betriebspunkte reduzieren.

Die Zusammenführung von experimentellen Daten und numerischen Simulationen zu einem Benchmark-Datensatz, stellt eine wichtige Ressource für die Evaluierung und Validierung von Modellen und Simulationstools dar und bietet die Möglichkeit Simulations-Workflows zu evaluieren und optimieren. Diese optimierten Simulationstools bilden eine wesentliche Grundlage für eine zeit- und kosteneffiziente Entwicklung von zukünftigen Verbrennungsmotoren, insbesondere vor dem Hintergrund der Vielzahl der derzeit diskutierten neuen CO2-freien bzw. -neutralen Kraftstoffen.