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Virtuelle Motorenentwicklung
Wir sehen am FKFS die Simulation als unverzichtbares Werkzeug während der Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren. Ein klassisches Ziel der Motorenentwicklung ist die Optimierung der Hauptbewertungskriterien des Motors: Fahrleistung, Emissionen und Verbrauch.
Mit Hilfe von vorhersagefähigen Simulationsmodellen lassen sich schon zu Beginn der Entwicklungsphase Motorenkonzepte vergleichen. Somit sind bereits früh Informationen über die Hauptcharakteristika des Systemverhaltens verfügbar und ermöglichen ein Fokussieren der Entwicklungsarbeit auf besondere Problemstellungen.
Motoren von 20 bis 165 mm Bohrung sind uns am FKFS bestens vertraut (Otto/Diesel/Gas), ebenso unterschiedlichste Applikationen (Pkw, Nfz, Motorsport, Off-Highway, …) und Detaillierungsgrade der Modellierung.
Virtuelle Brennverfahren & Dimensionierung
Die Motorenentwicklung befindet sich in einer Phase des Umbruchs. Schlagworte wie Hochlast-AGR, Magerbrennverfahren, Kammerzündung oder ausgeprägte Langhubigkeit beim Ottomotor oder pHCCI und Wassereinspritzung beim Dieselmotor greifen tief in die Auslegung und Dimensionierung des Motors ein. Welcher Hubraum, welches Aufladesystem, welches Hub-Bohrungverhältnis werden zukünftig sinnvoll sein? Sollen Ladungswechselverluste minimiert oder Ladungsbewegungs- und Turbulenzniveau gesteigert werden?
Die einzigartige Kombination des FKFS aus Brennverfahrensentwicklung am Motorprüfstand, tiefgehendem Modellverständnis am FKFS UserCylinder® und langjähriger Erfahrung an 0D/1D-Konzeptstudien helfen uns bei der Erstellung virtueller Versuchsträger.
Im Vergleich zu anderen Simulationsmethoden bietet die 0D/1D-Simulation hohe Vorhersagefähigkeit bei geringem Rechenzeitbedarf. Hierdurch werden transiente Simulationen ebenso möglich wie umfangreiche Konzeptstudien.
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FKFS UserCylinder®
Der UserCylinder® ist ein Plug-in für GT-Power und ersetzt dort das reguläre Zylinderobjekt. Während einer GT-Power Simulation wird der gesamte Hochdruckteil im Zylinder (Kompressions- und Arbeitstakt) fortan über einen FKFS eigenen Code berechnet. Innerhalb eines Gesamtmotormodells ermöglicht dies detailliertere und schnellere Vorhersagen zu den Vorgängen im Brennraum. Wichtige Ergebnisgrößen des Zylinders sind beispielsweise Brennverlauf, Kraftstoffverbrauch, Zylinderdruckverlauf, Emissionen sowie Klopfen und Zyklenschwankungen. Der Einsatz des UserCylinders® ist in verschiedenen Phasen der Motorentwicklung sinnvoll.
Während der Konzeptphase:
- beim Vergleich verschiedener Aufladekonzepte hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Transientverhalten,
- bei der Optimierung des Verdichtungsverhältnisses im Zielkonflikt zwischen Teillast- und Volllastverbrauch (Klopfen),
- bei der Variation von Ventilsteuerzeiten oder Ventilhubverläufen, durch korrekte Abbildung der Auswirkungen auf die Verbrennung.
In der Funktionsentwicklungs-, Applikations- und Testphase von Steuergeräten:
- bei der Abschätzung von Lauf- und Klopfgrenzen
- bei der Optimierung von transienten Betriebszuständen am Otto- und Dieselmotor
- durch die Möglichkeit zum Testen von Steuergerätefunktionen an einem virtuellen Motor
In Forschungsprojekten und in der Lehre ermöglicht der UserCylinder® den Aufbau von virtuellen Versuchsträgern, die qualitativ und quantitativ sinnvoll auf Änderung der Randbedingungen reagieren. Hierdurch kann ein tieferes Verständnis über die Vorgänge im Brennraum sowie die Gesamtzusammenhänge im Motor gewonnen werden. Dies gilt besonders, wenn die Auswirkungen von abgeänderten Randbedingungen im Brennraum auf die Verbrennung und Emissionsentstehung untersucht werden sollen.
Integration in GT-Suite
Der UserCylinder® nutzt die GT-Oberfläche zur Bedatung, weshalb sich auch langjährige GT-Power Anwender schnell zurechtfinden. Die um die Ergebnisgrößen der FKFS-Untermodelle erweiterten Simulationsergebnisse des Zylinders sind in GT-Post verfügbar. Die Oberfläche ist auf Deutsch und Englisch verfügbar, ebenso wie die Anleitung, die auf ca. 230 Seiten viele Hintergründe zu den enthaltenen Berechnungsmodellen beschreibt. Um die Abläufe im Brennraum während des Hochdruckteils so realistisch wie möglich abzubilden, verfügt der UserCylinder® über verschiedene Kalorik-, Wandwärme-, Einspritz-, Verbrennungs- und Emissionsmodelle. Da es sich um phänomenologische Modelle handelt, kann nach einmaliger Abstimmung an den jeweiligen Motor, jeder beliebige Betriebszustand simuliert werden, auch wenn keine Messdaten dazu vorliegen. Trotz dieser Vorhersagefähigkeit sind die Rechenzeiten durch eine sehr gute Optimierung des Programmcodes äußerst kurz. Ein Verlust an Rechengeschwindigkeit im Vergleich zu einer Simulation mit Vibe-Brennverläufen ist oft nicht wahrnehmbar. Arbeitsprozessrechnung, phänomenologische Verbrennungsmodellierung und 1D-Strömungssimulation sind seit über 15 Jahren ein Eckpfeiler des Bereichs Fahrzeugantriebe am FKFS. Im Jahr 2003 begann die Entwicklung des UserCylinders® für GT-Power. Seit 2008 wird er im größeren Umfang kommerziell vertrieben. Sowohl im deutschsprachigen Raum, als auch im europäischen Ausland sowie den USA, wird der UserCylinder® von einer Vielzahl an OEMs, Zulieferern und Simulationsdienstleistern eingesetzt.
Simulation von Ottomotoren
Phänomenologisches Brennratenmodell
- Entrainmentansatz mit hemisphärischer Flammenausbreitung, in deren Berechnung die laminare Flammengeschwindigkeit und die spezifische Turbulenz im Brennraum eingehen.
- Kann sowohl bei flüssigen als auch gasförmigen Kraftstoffen eingesetzt werden.
- Kombination von Turbulenz- und Verbrennungsmodell ermöglicht eine exakte Abbildung der Brennrate, abhängig vom Zustand der Zylinderladung bei Einlass-Schließt.
Quasidimensionales Ladungsbewegungs- und Turbulenzmodell
- Die stationären Tumblezahlen der Einlasskanäle werden zur Berechnung des beim Einströmen generierten Tumbles herangezogen (Beschreibung als Taylor-Green-Wirbel).
- Berücksichtigung der direkt am Ventilsitz generierten Turbulenz.
- Im Brennraum erfolgt eine Bilanzierung der Turbulenz auf Basis von Produktions- und Dissipationstermen.
FKFS-Klopfmodell
- Berücksichtigung des Turbulenzeinflusses auf die Temperatur im unverbrannten Endgas.
- Untermodell für Hot-Spots an der Wand.
- Interne Zündzeitpunktregelung ermöglicht eine robuste und sehr schnelle Einregelung der wirkungsgradoptimalen Schwerpunktlage in jedem Betriebspunkt unter Berücksichtigung der Klopfneigung des untersuchten Motors.
- Bei transienten Rechnungen kann der Zündzeitpunktregler die Wirkungsweise einer realen Antiklopfregelung abbilden (Rücksprung bei klopfenden Arbeitsspielen).
Zyklenschwankungsmodell
- Variation von Entflammungsdauer und Flammenausbreitung im Brennratenmodell.
- Verbrennungsmodell reagiert entsprechend den allgemeinen Randbedingungen des unter-suchten Betriebspunkts.
- Auswertung der Auswirkungen auf integrale Betriebsgrößen (pmi, be, pmax, …). Hierdurch Vorhersage eines Kraftstoffverbrauchs unter Berücksichtigung der Zyklenschwankung möglich.
- Unterschiede zwischen den Ergebnissen des mittleren Arbeitsspiels und des Mittelwerts aller Arbeitsspielvariationen werden dargestellt und können als Signal für einen Drosselklappenregler verwendet werden.
Simulation von Dieselmotoren
Injektor
- Ermöglicht die einfache Modellierung eines Ersatzeinspritzverlaufs als Eingangsgröße für Brennraten- und Emissionsmodell.
- Parametrierung von Einspritzbeginn und wahlweise Einspritzmenge oder Einspritzdauer.
- Oft direkte Übernahme von Einspritzkennfeldern aus der ECU-Bedatung möglich.
Phänomenologisches Brennratenmodell
- Vorgabe der Einspritzrate mit beliebiger Anzahl an Vor- und Nacheinspritzungen wahlweise über GT- oder FKFS-Injektor.
- Zündverzugsberechnung über gekoppelten Arrhenius- und Magnussen-Ansatz.
- Entsprechend dem Einspritzverlauf und dem Zündzeitpunkt erfolgt die Aufteilung in und Premixed- und Diffusionsanteil.
- Berücksichtigung des lokalen Gemischzustands bei der Premixed-Verbrennung .
- Abbildung der Vermischung von Kraftstoff und Luft während der Diffusionsverbrennung über einen Scheibenansatz mit überlagerter Lambda-Verteilung.
Phänomenologisches Stickoxid- und Rußmodell
- Reagiert physikalisch korrekt auf Änderungen der Randbedingungen/Betriebszustände, beispielsweise Gastemperatur, Druck, Einspritzstrategie, AGR, Ladungsbewegung (Drall).
- Aufteilung der verbrannten Zone in mehrere Unterzonen zur Berücksichtigung des Wandtemperatureinflusses, sowie der reduzierten NO-Bildung bei lokalem Luftmangel, während transienten Vorgängen.
Ihre Vorteile auf einen Blick
- Der UserCylinder® bietet vorhersagefähige Brennraummodelle für Otto- und Dieselmotoren, die sich auf dem höchsten Entwicklungsstand in dieser Modellklasse befinden.
- Die Modelle wurden an sehr vielen Motoren unterschiedlichster Bauart entwickelt und fortlaufend validiert: Vom Motorrad über Pkw hin zu Nutzfahrzeug und Großmotoren.
- Kontinuierliche Weiterentwicklung auf höchstem Niveau ist durch die Verbindung des FKFS zur universitären Forschung sichergestellt.
- Einfache Bedienung dank voller Integration in die grafische Oberfläche von GT-Suite inklusive GT-Post.
- Äußerst kurze Rechenzeiten – Ein Verlust an Rechengeschwindigkeit im Vergleich zu einer Simulation mit Vibe-Brennverläufen ist oft nicht wahrnehmbar.
- Möglichkeit zur automatisierten Modellabstimmung auf gemessene Zylinderdruckverläufe.
- Software und Anleitung sind in Deutsch und Englisch verfügbar.
- FKFS bietet schnellen und fundierten Support zu allen Aspekten der Brennraumsimulation (support(at)fkfsusercylinder.de).
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3D-CFD Simulation (QuickSim, StarCD®)
Die 3D-CFD Simulation erlaubt einen "virtuellen Blick" in den Motor.
QuickSim verwendet StarCD® nur als Solver und ermöglicht:
- die Ausdehnung des Simulationsgebietes vom einzelnen Zylinder bis hin zum Vollmotor (Erhöhung der Vorhersagefähigkeit und Reduzierung der Einflüsse von Randbedingungen)
- die Simulation mehrerer aufeinanderfolgender Zyklen (Reduzierung/Eliminierung der Einflüsse von Anfangsbedingungen)
- eine effiziente und zuverlässige Berechnung innerhalb kurzer CPU-Zeiten
- eine verständliche und übersichtliche Auswertung der Simulationsergebnisse (virtueller Prüfstand)
Eine integrierte Arbeitsprozessrechnung unterstützt dabei die Analyse der Motorprozesse und ermöglicht zur Kontrolle zudem den fortlaufenden Vergleich mit Prüfstandsmessungen und/oder anderen Simulationsprogrammen.
Simuliert werden können am FKFS neben den gängigen Otto- und Dieselkraftstoffen auch Gas-Motoren (CNG und Wasserstoff) und Bio-Kraftstoffe. Dabei sind virtuelle Untersuchungen sämtlicher Motorbetriebsstrategien sowie jeglicher Design-Anpassungen möglich.
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Tel.: +49 711 685-68091
Virtueller Strömungs-Prüfstand (QuickSim)
- Zylinderkopfsimulationen
- Schnelle Bestimmung der Durchflussbeiwerte und αk für jeden Ventilhub (Rückschlüsse auf den Einzelbeitrag jedes Ventils zum gesamten αk-Wert möglich)
- Ermittlung des Swirl- und Tumble-Niveaus sowie Vergleich unterschiedlicher Zylinderkopf-Geometrien
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Tel.: +49 711 685-68091