Einflussanalyse der Abströmung am Abgasturbolader auf das Abgasnachbehandlungssystem mittels CFD-Simulation

Abstract

Ziel der Arbeit ist es, eine Einflussanalyse der Abströmung am Abgasturbolader (ATL) auf das Abgasnachbehandlungssystem mittels CFD-Simulation durchzuführen. Hierfür werden methodische Untersuchungen hinsichtlich der Auslegung der Abgasanlage (AGA) am Beispiel eines V8-Biturbo-Dieselmotors durchgeführt. In der Analyse werden drei Auslegungsmethoden unterschiedlicher Komplexität in drei emissionsrelevanten Betriebspunkten der Anlage berechnet und miteinander verglichen. Die Ausgangsbasis bildet die aktuelle Auslegungsmethode, wobei der ATL in die Strömungssimulation nicht eingebunden wird. Die Strömungsberechnung wird dabei lediglich stromabwärts ab der Schnittstelle zwischen ATL und AGA durchgeführt. Messergebnisse haben gezeigt, dass diese Methode ein Verbesserungspotenzial bezogen auf die Genauigkeit aufweist. Es musste daher nach alternativen Vorgehensweisen gesucht werden und der bestehenden Auslegungsmethode gegenübergestellt werden. Vor dem Modellaufbau wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um die entsprechenden Einstellungen bezogen auf die Randbedingungen, physikalischen Eigenschaften des Fluid sowie die Turbulenzmodellierung vornehmen zu können. Anschließend wurde in ANSA eine geschlossene Geometrie erstellt, mit Oberflächennetz versehen und dann in StarCCM+ importiert. Nachdem die Volumennetze aller Modellvarianten in StarCCM+ erstellt wurden, konnten die Berechnungen der drei verschiedenen Auslegungsmethoden in jedem Betriebspunkt durchgeführt werden. Zunächst wurde das aktuelle AGA-Modell durch zwei ATL erweitert. Diese Anordnung stellt die erste Modellvariante dar. Nach dieser Auslegungsmethode wird die Abströmung am ATL und deren Einfluss auf die nachfolgende AGA unmittelbar berücksichtigt. Die Erweiterung soll die Genauigkeit der Berechnung verbessern und eine Grundlage für den oben genannten Vergleich bilden. Bei der zweiten und dritten Auslegungsmethode werden die Abgasturbolader und das AGA-Modell, analog zur Ausgangsbasis, getrennt simuliert. In beiden Fällen werden die Geschwindigkeitsprofile am Austritt beider ATL der Massenstrom-Eintrittsrandbedingung des AGA-Modells überlagert. Dies erfolgt bei der Ausgangsbasis eindimensional. Bei der zweiten Auslegungsmethode wird ein zweidimensionales herangezogen. Bei der dritten bleibt es bei einem eindimensionalen Geschwindigkeitsverlauf, allerdings wird der Verlauf feiner modelliert. Deshalb kann die dritte Auslegungsmethode beim Vergleich die Ausgangsbasis repräsentieren. Dabei werden die Unterschiede zwischen vorhandenen und neuen Auslegungsmethoden durch eine detaillierte Beurteilung aufgezeigt. Um adäquate Schlüsse zu ziehen, werden die Abweichungen jeweils im gleichen Betriebspunkt vorgelegt. Ferner solle der Aufwand des Modellaufbaus, die Genauigkeit bzw. die Dauer der Berechnung einzelner Varianten näher erläutert werden. Nach diesen Kriterien werden die Vor- und Nachteile hinsichtlich der jeweiligen Berechnungsanforderung zusammengefasst. Diese sollen die Wahl der Modellierungsart zukünftiger Arbeiten erleichtern und den Grundstein für eine weiterführende Methodenentwicklung legen.

The aim of this thesis is to perform an influence analysis of the outflow at turbocharger on the exhaust aftertreatment system using CFD simulation. For this purpose, methodological investigations are carried out in order to achieve a more appropriate simulation method of the exhaust system using the example of a V8 twin turbo diesel engine. Within the scope of present analysis three modeling approaches of different complexity are investigated and compared with each other in three emission-relevant operating points. As starting point is the current procedure considered, where the turbocharger is not included in the flow simulation. The flow calculation is carried out only downstream of the turbocharger’s outlet. Measurement results have shown, that there is room for improvement in terms of accuracy. It was therefore necessary to look for alternative approaches and compare these with the existing simulation method. Prior to the model construction, a literature review was carried out in order to apply the appropriate modelling approaches and settings regarding the boundary conditions, physical properties of the fluid and turbulence modelling. The cleaned geometry and the surface mesh were prepared in ANSA, and then imported into StarCCM+. Afterwards the volume meshes of all model variants were created in StarCCM+, the calculations of the three different simulation-approaches could carried out at each operating point. Initially, there was the current exhaust system model extended by two turbochargers. This variant represents the first modelling alternative, i.e. the outflow at the turbocharger and its influence on the following exhaust system are taken into account directly. The extension of the turbocharger should improve the accuracy of the calculation and form a basis for the comparison above. With the second and third modelling method, the turbocharger and the exhaust system models are separately simulated, analogous to the starting point. In both cases, the velocity profiles at the outlets of both turbochargers are superimposed on the mass flow inlet boundary condition of the exhaust system model. At the starting point, this is done through one-dimensional velocity curves. The second modelling method utilizes two-dimensional profiles. The third uses one-dimensional velocity curves as well, but the curves are finer modeled. Therefore, the third modelling method can represent the starting point in the comparison. The main goal is to show differences between existing and new modelling methods through a detailed assessment. In order to draw adequate conclusions, the deviations are at the same operating point presented. Furthermore, the effort of the model construction, the accuracy and duration of the calculation of variants are explained in more detail. According to these criteria will be the advantages and disadvantages regarding the calculation requirements summarized. These should facilitate the choice of the modeling of future works and lay the foundation for an advanced method development.