Optimierung der Gemischaufbereitung an einem Rotationskolbenmotor mittels CFD-Simulation und am Motorenprüfstand

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Einspritzmodell eines Kraftstoffinjektors in einer numerischen Strömungsmechanik - Simulationsumgebung (englisch: computational fluid dynamics, CFD) zu entwickeln und anhand bereits vorhandener Messergebnisse von einem Einspritzprüfstand zu validieren. Dieses CFD-Modell der Einspritzung soll ein CFD Modell des Gesamtmotors bedienen. Des Weiteren sollen die Ergebnisse der Simulation dazu dienen, geeignete Injektoren auszuwählen, welche im Zuge der Arbeit an einem Versuchsmotor getestet werden. Im ersten Abschnitt der Arbeit wurde ein Literaturstudium über die unterschiedlichen Turbulenz- und Einspritzmodelle in heute gebräuchlichen kommerziellen CFD - Programmen durchgeführt. Hierbei wurde darauf geachtet, die Modelle untereinander zu vergleichen um eine Vorauswahl für die nachfolgenden Simulationen zu treffen. Im weiteren Verlauf wurden unterschiedliche Modelle auf ein Ventil angewendet und die Simulationsergebnisse analysiert. Um auf ein realistisches Ergebnis zu kommen muss entweder der Durchmesser der Düse oder der Sauterdurchmesser der Tropfen bekannt sein. Die Modellierung der Tropfenzerstäubung erfolgt üblicherweise in primären und sekundären Tropfenaufbruch sowie parallel dazu erfolgenden Kollisionen. Es hat sich gezeigt, dass bei bekanntem Düsendurchmesser das "Blob Injection Model" den Vorgang des primären Tropfenaufbruchs, welcher den größten Einfluss auf den Sauterdurchmesser und damit auf die Gemischaufbereitung hat, am besten beschreibt. Für den sekundären Tropfenaufbruch ist das "Kelvin Helmholz" Modell zusammen mit dem "Rayleight Taylor" Modell zu empfehlen, was sich auch mit vorhandener Literatur deckt. Bei den Kollisionsmodellen führen das "O-Rourke" und das "No-time counter" Kollisionsmodell zu ähnlichen Ergebnissen. Der Versuchsmotor war ein Einscheiben-Wankelmotor der Firma Austro Engine GmbH. mit einem Kammervolumen von 405 cm3. Der Motor war druckindiziert und es wurden neben dem Blow-By Gas, unterschiedlichen Temperatur- und Druckmessstellen und weiteren relevanten Messgrößen auch die Schadstoffemissionen (HC, CO, CO2, O2, NOx) mitgemessen. Eine Auswahl von 3 Injektoren wurde am Versuchsmotor vermessen. Damit konnte sowohl eine Leistungssteigerung von ca. 6% erzielt werden, als auch gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch und die HC-Emissionen gesenkt werden.

The aim of this study was to develop a fuel injection model in a computational fluid dynamics (CFD) environment. The outcome was analysed with available measurements. In later investigations the model should be implemented in a model of the entire engine. Furthermore the results of the simulation serve to select different injectors, which will be tested on the test engine. In the first part of the study the various turbulence and injection models are explained. Care has been taken to compare the different models to make a pre selection for the following CFD simulation. In the following course of the work the outcome of the simulation were analysed. For a proper result the sauter mean diameter or the diameter of the injector should have been known. It has been shown that for a known injector diameter the "Blob Injection" Model describes the primary drop breakup, which has the biggest influence on the sauter mean diameter, in the best way. For the secondary drop breakup the "Kelvin Helmholz" Model together with the "Rayleight Taylor" Model show the best results, this is consistent with the specialist literature. The collision models from O-Rouke and the "No-time counter" Model show similar results. The test engine was a one-rotor Wankel engine build by Austro Engine with a displacement of 405 cm3. Various measurands such as Blow-by, pressure in the combustion chambers, temperature and also the exhaust emissions (HC, CO, CO2, O2, NOx) were measured. Different fuel injectors were simulated and afterward installed at the test engine. The simulation showed which injector had a better sauter mean diameter and therefore a better mixture preparation. This information has helped to choose the best injector. With the improved injector the power of the engine was increased by about 6%, whereas the fuel consumption and the HC emissions were reduced.