Modellierung der Mischungs- und Verbrennungsprozesse in direkteinspritzenden Ottomotoren mit Hilfe der Grobstruktursimulation

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Die Reduktion der C02-Emission auf allen bedeutsamen Technologiefeldern hat sich in den vergangenen Jahren zu einer Themenstellung mit dramatisch wachsender gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Relevanz entwickelt. Die verkehrsbedingten C02-Emissionen sind dabei eine bedeutsame Quelle. Direkteinspritzende Ottomotoren, die im Zentrum dieses Vorhabens stehen, haben, gemeinsam mit weiterentwickelten Dieselmotoren, HCCI-Motoren sowie Mischformen dieser Konzepte, das Potential, eine deutliche Verbrauchsreduktion zu ermöglichen.Globales Ziel des vorliegenden Antrages ist die Entwicklung von Methoden und Verfahren, um den Verbrennungsverlauf in direkteinspritzenden Ottomotoren mit Hilfe der Grobstruktursimulation für das gesamte Spektrum unterschiedlicher Einspritzzeitpunkte, die unterschiedlichen Gemischinhomogenitätszuständen entsprechen, vorhersagen zu können. Die drei Arbeitsziele des Vorhabens sind Modellentwicklungen im Kontext der Grobstruktursimulation zur Beschreibung der Mischung von Brennstoff und Luft, der Verbrennung mittels regimeunabhängiger Formulierungen sowie deren Validierung.Eine Basis der in diesem Vorhaben vorgesehenen Entwicklungen ist ein Mischungsmodell, das zur besseren Berücksichtigung anisotroper Mischungsvorgänge im Skalartransport auf einem tensoriellen Ansatz beruht, der aus einem deviatorischen Teil zur Beschreibung des Einflusses von SGS-Strömungsfluktuationen auf die aufgelösten Skalargradienten und einem bekannten, klassischen, isotropen Term besteht. Das regimeunabhängige Verbrennungsmodell basiert auf einer Indikatorfunktion, die lokal Bereiche einer Flamme in Diffusionsflammen, Vormischflammen oder Mischformen unterscheidet. Die Indikatorfunktion wird mit Hilfe des Skalarprodukts der Gradienten aus Brennstoff und Oxidator gebildet. Basis der Modellierung ist eine Formulierung, die auf einem Zwei-Variablen-Ansatz, bestehend aus Mischungsgrad und einer Fortschrittsvariablen, beruht. Für Diffusionsflammen findet eine Flamelet-Ansatz Anwendung, die es ermöglicht, den chemischen Quellterm über die skalare Dissipationsrate zu bestimmen. Zur Beschreibung von Vormischflammen in Verbrennungsmotoren wird ein Coherent Flame Model verwendet. Die Verifikation und Validierung der Modellentwicklungen erfolgt durch einen sorgfältig abgestimmten Prozess, der aus einfachen Tests, Berechnung von Standardtestfällen sowie Simulationen bei geschlepptem und gefeuertem Motorbetrieb besteht.