Entwicklung und Bewertung eines Mehrkomponenten-Kraftstoffmodells zur numerischen Simulation der Gemischaufbereitung von ROZ 95, Ethanol und E85

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit ist ein Mehrkomponenten-Kraftstoffmodell entwickelt worden, das die realen Brennstoffe Benzin und E85, nicht wie bisher üblich mit einem Ersatzbrennstoff (n-Heptan, Ethanol) abbildet, sondern mittels sieben repräsentativen Kohlenwasserstoffverbindungen.<br />Ziel dieser Diplomarbeit ist es, mittels numerischer Strömungs-Simulation (3D-CFD) die Gemischaufbereitung für Superkraftstoff (ROZ 95), Ethanol und einer Ethanol-Benzin-Mischung (E85) in einem 4 Zylinder Ottomotor zu untersuchen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Analyse des thermodynamischen Modells für den Kraftstoff: Ein detaillierter Mehrkomponentenansatz für ROZ 95 und E85 (mit den Komponenten: n-Butan, Isopentan, n-Hexan, Ethanol,...) wird mit dem Standard-Modell (Abbildung von ROZ 95 durch n-Heptan) verglichen.<br />Dabei wird besonders auf die Tröpfchendynamik, -verdampfung, die Wandfilmbildung und die Dynamik des Kraftstoffdampfes näher eingegangen.<br />Bevor die Simulation der Aufbereitung an der realen Zylindergeometrie erfolgte, wurde eine Vor-auswahl aus drei Benzin- und vier E85-Kraftstoffmodellen mittels eines statischen Modelles, das nur aus dem Ansaugkanal des 4-Zylinder Ottomotors besteht, getroffen. Nach diesem Vorselektieren wird die Gemischaufbereitung für die relevanten Kraftstoffmodelle im bewegten Netz, das aus dem Ansaugsystem und dem Zylinder des Motors besteht, simuliert. Ziel ist es dabei ein effizientes Modell zur realistischen Vorhersage der Gemischaufbereitung zu erarbeiten.<br />Es zeigte sich, dass der Aufwand (die Rechenzeit) bei der Mehrkomponenten-Variante um ca. 45 % höher ist, jedoch der relative Unterschied beim Massentransfer im bewegten Modell (zwischen Benzin Ein- und Mehrkomponenten-Ansatz) zwischen 7 und 80 % beträgt. Beim E85-Kraftstoff-Modell sind diese Unterschiede geringer, da der Ethanol-Anteil als bestimmende Komponente alle relevanten Stoffgrößen dominiert. Die Unterschiede zwischen den Benzin- und E85-Kraftstoffvarianten sind auf die Entmischung des Kraftstoffes zurückzuführen. Dabei erweist sich die Ethanol-Komponente als wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen den beiden Kraftstoffen. Die Anwendung eines Mehrkomponentenansatzes für die Abbildung eines Benzinkraftstoffes und einer Ethanol-Benzin-Mischung (E85) ist, wie in den einzelnen Bilanzgrößen des statischen und vor allem im bewegten Modell gezeigt wurde, zu empfehlen. Noch größere Unterschiede durch die Entmischungsvorgänge würden sich bei Kaltstartuntersuchungen ergeben.<br />