Optimierung des Brennverfahrens eines Flex-Fuel Ein-Scheiben-Wankelmotors im Kerosinbetrieb mittels CFD-Strömungssimulationen

Abstract

Der durch Felix Wankel entwickelte Wankel-Kreiskolbenmotor zählt neben dem Hubkolbenmotor zu den am meisten verbreiteten Verbrennungskraftmaschinen. Heute wird diese Motorenart vor allem in der Luftfahrtindustrie zum Antrieb von Klein- und Kleinstfluggeräten eingesetzt. Speziell mit den militärischen Entwicklungen von unbemannten Kleinflugzeugen (Drohnen) gewann der Wankelmotor dank seiner guten Eignung für diese Zwecke wieder deutlich an Bedeutung. Im Zuge dieser Entwicklungen legen Forschungsprojekte wie dieses den Fokus auf den Betrieb von Wankelmotoren mit dem in der Luftfahrt gebräuchlichen Kraftstoff Kerosin. Die vorliegende Arbeit befasst sich demnach mit der Optimierung des Brennverfahrens eines Einscheiben-Wankelmotors, sodass ein bivalenter Betrieb mit AvGas und Kerosin unter möglichst hoher Leistungsausbeute und Betriebssicherheit ermöglicht wird. Die dafür notwendigen Berechnungen werden unter Zuhilfenahme der 3D-CFD-Simulationssoftware CONVERGETM durchgeführt, wobei die Hardwarestruktur des VSC (Vienna Scientific Cluster) zur Verfügung steht. Das darin erstellte CFD-Motormodell ermöglicht es, die Verbrennungsprozesse innerhalb der drei Brennkammern simultan zu verfolgen und zu analysieren. Durch die implementierten Reaktionsmechanismen für Isooktan und Kerosin können die Verbrennungscharakteristika des jeweiligen Kraftstoffs im Detail abgebildet werden. Die Optimierung erfolgt dabei sowohl hinsichtlich des Kolbenmuldendesigns, der Anzahl und Position der Zündkerzen als auch des Zündzeitpunktes. Durch Integration einer Aufladung soll zudem die Leistungsausbeute maximiert werden. Hierzu werden unterschiedliche Aufladekonzepte untersucht und deren Eignung evaluiert. Als Herausforderung gilt dabei die geringere Klopffestigkeit von Kerosin, welche den limitierenden Faktor in Hinblick auf die Verbrennungsstabilität darstellt. Die Validierung des simulierten Motormodells erfolgt mithilfe von Untersuchungen am Motorprüfstand, welche zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit bereits vorhanden waren.

The Wankel rotary piston engine developed by Felix Wankel is one of the most common internal combustion engines alongside the reciprocating piston engine. Today, this type of engine is mainly used in the aviation industry to drive small and very small aircraft. Especially with the military developments of unmanned small aircraft (drones), the Wankel engine gained significant importance thanks to its good suitability for these purposes. In the course of these developments, research projects such as this focus on the operation of Wankel engines with the fuel kerosene commonly used in aviation. The present work therefore deals with the optimization of the combustion process of a single-disc Wankel engine, so that bivalent operation with AvGas and kerosene is made possible with the highest possible efficiency and operational reliability. The necessary calculations are carried out with the help of the 3D CFD simulation software CONVERGETM. The CFD engine model created in it enables the combustion processes within the three combustion chambers to be monitored and analyzed simultaneously. Thanks to the implemented reaction mechanisms for isooctane and kerosene, the combustion characteristics of the respective fuel can be mapped in detail. The optimization takes place with regard to the piston bowl design, the number and position of the spark plugs as well as the ignition timing. By integrating a charge, the power yield should also be maximized. Different charging concepts are examined and evaluated for suitability. The challenge is the reduced knock resistance of kerosene, which is the limiting factor in terms of operational safety. The simulated engine model is validated with the help of tests on the engine test bench, which were already available at the time of writing.