Simulation

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Numerische Analyseverfahren haben sich in den letzten Jahren als fester Bestandteil der Motorenentwicklung etabliert. Die Einbindung der Simulationsrechnung in den gesamten Entwicklungsprozess, von der Konzeptphase bis zum Produktionsbeginn, hat sich als sehr effektive Möglichkeit erwiesen, Entwicklungszeiten und -kosten erheblich zu reduzieren.

Am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) werden stetig Methoden zur „Virtuellen Produktentwicklung“ erarbeitet und weiterentwickelt. Entscheidend für den „Virtuellen Motor“ ist die integrierte Zusammenarbeit von Konstruktion, den Disziplinen des „Computer Aided Engineering“ (CAE) sowie des Motorenprüfstands. Die CAE-Berechnung unterstützt Konstruktion und Prüfstand, da bereits vor der Fertigung von Prototypen erste Berechnungen für Designreviews genutzt werden können. Gleichermaßen lassen sich Daten berechnen, die für zusätzliche Analysen genutzt werden können, die ansonsten messtechnisch nicht oder nur schwer zu erfassen sind. Experimentelle Untersuchungen wiederum sind essentiell für die Simulation, um Berechnungsmodelle validieren und stetig verbessern zu können.

Die Entwicklungsschwerpunkte der Berechnung liegen am VKA bei der

  • Ladungswechsel- und Prozesssimulation
  • CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics)
  • Strukturberechnung
  • Akustikberechnung

 

Ladungswechsel- und Prozessrechnung

Ziel der Ladungswechselrechnung ist es, den gesamten Motorprozess thermodynamisch abzubilden. Aufgrund der Reduktion auf eindimensionale Strömungsdynamik sowie der vereinfachten Darstellung der Motorbauteile, zeichnet sich diese Berechnungsmethode durch sehr geringe Rechenzeiten aus. Die Ladungswechselrechnung wird vor allem zur geometrischen Auslegung von Bauteilen der Ansaug- und Abgasanlage, Ladungs­wechselorgane und zur Turboladerdimensionierung eingesetzt. Aktuelle Forschungsprojekte befassen sich vor allem mit der Berechnung des instationären Motor­betriebsverhaltens zur Unterstützung der Motorapplikation.

 

CFD Simulation

Das Einsatzgebiet der CFD-Simulation ist die detaillierte, räumlich und zeitlich aufgelöste Strömungsberechnung in einzelnen Bauteilen. Neben der Berechnung zur Geometrie­optimierung von Komponenten wie Saugrohr, Wassermantel oder Katalysator­anströmung, stellt vor allem die Simulation der Zylinderinnenströmung und Gemischbildung ein zentrales Forschungsgebiet der CFD-Simulation dar.

Die Form der Ladungsbewegung und Turbulenz sowie der Gemischaufbereitung haben sowohl bei Otto-, als auch bei Dieselmotoren einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf und damit auf den Wirkungsgrad der Verbrennung sowie auf die Schadstoffbildung. Zur Beschreibung des Einspritzvorgangs wurden am VKA Kraftstoff- und Einspritzmodelle entwickelt, die die Ausbreitung und Verdampfung des Kraftstoffstrahls für verschiedene Injektortypen wiedergeben. Anhand optischer Untersuchungen am „gläsernen Motor“, konnten diese Modelle angepasst und validiert werden.

In aktuellen Forschungsprojekten bildet die CFD-Simulation in Kombination mit optischen Messungen die Basis zur Untersuchung neuer Brennverfahren wie der kontrollierten Selbstzündung und trägt hier insbesondere zum Verständnis der ablaufenden Prozesse bei.

 

Strukturberechnung und Akustik

Themengebiet FE und MKS RWTH Aachen | VKA

Der Bereich der Strukturberechnung befasst sich in erster Linie mit dynamischen Fragestellungen der Mechanik und Thermomechanik. Je nach Anwendungsfall kommen Mehrkörpersysteme (MKS) oder Finite Elemente Methoden (FEM) zum Einsatz.

Schwerpunkt der MKS sind dynamische Berechnungen im Zeitbereich. Hier werden insbe-sondere die Anwendungsbereiche Gesamtmotor und Antriebsstrang betrachtet.

Es lassen sich sowohl Festigkeit und Dauerhaltbarkeit, als auch die Dynamik der zu untersuchenden Bauteile ermitteln. Mit Hilfe der dynamischen Betriebslasten werden Lebensdauervorhersagen von Bauteilen berechnet.

Mittels FEM lassen sich, mit Hilfe von hochaufgelösten Modellen, unterschiedlichste Fragestellungen aus dem Bereich der Mechanik und Thermomechanik im Voraus beantworten. Zentrales Anwendungsgebiet sind low-cycle und high-cycle fatigue Berechnungen von Motorbauteilen. Die mittels MKS ermittelten dynamischen Betriebslasten können auf das FEM- Modell aufgeprägt werden, um mechanische Belastungen der Bauteile im Zeitbereich zu ermitteln.

Das zeigt, dass FEM und MKS in der Anwendung am VKA eng miteinander verknüpft sind.

Zur Validierung der Simulationsergebnisse und zur Verbesserung der Simulationsmodelle werden im Rahmen von Forschungsprojekten in der Regel Untersuchungen am realen Motor durchgeführt und mit der Simulation abgeglichen.

Die Akustikentwicklung ist heutzutage ohne Computerunterstützung (Computer Aided Engineering, CAE) nicht mehr denkbar. Hier werden Berechnungsverfahren wie die Finite-Elemente-Methode (FEM), Mehrkörpersimulation (MKS), Boundary Element Methode (BEM) sowie CFD-Methoden genutzt.