Optimierung einer gekoppelten 1D-3D Ladungswechselsimulation hinsichtlich Berechnungszeit und Strömungsdynamik am Beispiel des Ladeluftsystems eines aufgeladenen Hochleistungsmotors

Abstract

Um die, bei steigendem Entwicklungsaufwand, kurzen Entwicklungszyklen eines Verbrennungsmotors einhalten zu können, nimmt die Simulation eine immer wichtigere Rolle ein. Durch die permanent ansteigende Rechenleistung der Computersysteme ist es möglich, immer komplexere Modelle zu simulieren und auszulegen, bevor ein Prototyp gebaut wird. Dennoch sind der dreidimensionalen Simulation von Motoren Grenzen gesetzt. Die 3D Simulation eines Gesamtmotors würde die derzeit in der Wirtschaft eingesetzten Rechenzentren überlasten. Zur Simulation von Motorprozessen ist man auf eindimensionale Simulationen angewiesen, mit welcher wiederum keine Strömungsoptimierung von Bauteilen möglich ist. Zur Zusammenführung der Vorteile der beiden Simulationsarten wird eine Kopplung der verwendeten Softwarelösungen durchgeführt. Bei einer solchen Kopplung treten aber, besonders durch Rückkopplungen bei turboaufgeladenen Motoren, Probleme bei der Übergabe von Informationen vom 1D- auf den 3D-Bereich auf. Ziel dieser Arbeit ist die Evaluierung von verschiedenen Methoden zur Beschleunigung des gekoppelten Berechnungsvorgangs, damit eine wirtschaftlich vertretbare Rechendauer erreicht wird. Anschließend soll anhand des optimierten Modells die Ladeluftführung einer neuen Turbomotoren-Generation berechnet und optimiert werden. Mittels Simulationsreihen der Kopplung der Softwarelösungen sollen die Einflussgrößen auf Berechnungsgeschwindigkeit und Ergebnisstabilität einer solchen Simulation an einem turboaufgeladenen Motor herausgefunden und optimiert werden. Dazu wird an verschieden Lösungswegen angesetzt: Unter anderem soll der Einfluss von verschiedenen Regler Strategien z.B. bei der Wastegate Regelung oder auch Unterschiede bei der Modellierung der Kopplungsschnittstellen untersucht werden. Des Weiteren werden die Vorgänge bei der Spezies Übergabe der Programme analysiert und gegebenenfalls verbessert. Als Abschluss wird mithilfe der optimierten Kopplungsmethodik die Ladeluftführung durch einen Variantenvergleich strömungstechnisch optimiert.

In order to meet the required short development cycles of internal combustion engines, simulations become increasingly important. Due to the constantly increasing computational power of computer systems it is possible to simulate more complex models before a real prototype is built. Nevertheless, the three-dimensional simulation of engines is limited. The 3D simulation of a complete engine would overload the currently available data centers. For simulation of engine processes, one has to rely on one-dimensional simulations, which in turn makes a 3D flow optimization impossible. In order to combine the advantages of both types of simulations, a coupled approach is used. By means of different simulations with the coupled approach of the software solutions, the parameters on calculation speed and stability have to be found and optimized. The aim of this thesis is the evaluation and subsequent recommendation of different methods for accelerating the coupled calculation process, so that a commercially reasonable computing time with the used calculation software AVL Fire and GT Power is achieved. In closing, the enhanced coupling model is used to simulate and optimize the air intake system of a new turbocharged engine generation.