Präzise 3D-Modellierung von Kraftstoffeffekten Verbrennungsmotor exakt simulieren

Trotz hoch komplizierter Softwarepakete und leistungsfähigerer Rechner sowie einer mehr als hundertjährigen Entwicklungsgeschichte entziehen sich die Details des Zündvorgangs in der Verbrennungskammer eines Kraftfahrzeugmotors noch immer einer exakten Analyse. Andererseits lassen sich erst dann, wenn diese Vorgänge genau bekannt und vorhersehbar sind, wirklich verbrennungseffiziente und emissionsarme Antriebssysteme konstruieren. Eine neue Simulationssoftware verkürzt die Simulationszeit von Tagen und Wochen auf Stunden und kann der prädikativen Motorsimulation zum Durchbruch verhelfen.

Motorenentwickler sehen sich einem sehr ambitionierten Anforderungskatalog gegenüber: immer strengere Emissionsstandards, variierende Kraftstoffkombinationen, globale Unterschiede in der Brennstoffzusammensetzung, neue Motorkonzepte und Treibstoffe der Zukunft wie Biokraftstoffe der zweiten und dritten Generation. Darüber hinaus erhöhen Einflussgrößen wie die Klimaveränderung, gesundheitliche Aspekte, Materialsicherheit sowie nicht zuletzt finanzielle Erwägungen die gestellten Erwartungen zusätzlich.

Mit CFD (Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungsmechanik) versucht die Motorfachwelt seit Jahren - als kostengünstige Alternative zu Prototypen und umfangreichen Experimenten - strömungsmechanische Probleme mit numerischen Methoden approximativ in den Griff zu bekommen. Allerdings fügen sich gelöste Navier-Stokes-Gleichungen oder der Strömungsfluss alleine noch nicht zu einem Gesamtbild des Vorgangs innerhalb eines Verbrennungsmotors zusammen.

Um vorhersagbare Resultate hinsichtlich Emissionen und Zündung zu erhalten, sind darüber hinaus auch chemische Kinetikgleichungen zu lösen. Nachdem sich mit bisher vorhandenen Werkzeuge keine präzisen Emissions- und Effizienzprognosen ableiten ließen und der dafür erforderliche Zeitaufwand kommerziell nicht vertretbar war, nahm sich Reaction Design dieses Problems an.

Mit »Forté« hat das Unternehmen ein CFD-Paket auf den Markt gebracht, das Kinetik und Zerstäubung in dreidimensionalen Motorsimulationen realitätsnah mit hoher Genauigkeit modelliert und so die Grundlage für die Entwicklung sauberer und effizienter Motoren bieten soll. Forté enthält moderne Zerstäubungsmodelle sowie durch jahrzehntelange Forschung gestützte, wirklichkeitsgetreue Modelle der Kraftstoffchemie und liefert präzise Ergebnisse innerhalb von Stunden, für die traditionelle CFD-Tools Tage oder Wochen brauchen.

Zu den Komponenten des Zerstäubungsmodells zählen Modelle der Düsenströmung mit Kavitationseffekten, der Tropfenauflösung, der Gasdüse, der Tropfenkollision sowie der Mehrkomponenten-Kraftstoffzerstäubung.

Berechnungszeit um Faktor 100 verkürzt

Das CFD-Paket Forté vermittelt dem Motorenentwickler schnelle Simulationsergebnisse direkt von CAD-Zeichnungen. Durch die Chemiemodelle erhält er genauere Ergebnisse, ohne dass hoch spezialisierte Fachleute eine aufwändige Kalibrierung durchführen müssen. Traditionelle Modelle erfordern zuweilen eine Kalibrierung, für die man erst einen Motor hätte bauen müssen, um festzustellen, ob man mit der Modellierung richtig lag. Mithilfe neuartiger Ansätze zur Gleichungslösung in Forté lässt sich die Berechnungszeit der Kraftstoffchemie um nahezu zwei Größenordnungen verkürzen (Bild 1).

Chemiemodelle, die man zuvor nur bei 0D-Simulationen für geeignet hielt, sind nun für volle 3D-Motorsimulationen einschließlich der Kolben und Ventile praktisch einsetzbar. Damit ließe sich eine wirklich prädiktive Simulation des Automotors realisieren. Das Team bei Reaction Design sieht den Motor als chemisches Kraftwerk, das mit einem Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben wird. Dabei entstehen die chemischen Kombinationen von CO2 und NOx (Stickoxide), Feinstaub sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Doch ehe sie sich an die Entwicklung ihres CFD-Pakets machten, führten sie intensive Befragungen der Ingenieure über ihre Wünsche und Anforderungen an die Softwarepakete durch.

An erster Stelle der Wunschliste, so fanden sie heraus, steht Genauigkeit - und zwar hinsichtlich der Zündung oder der Auswirkungen verschiedener Treibstoffe, aber auch der Emissionen. Fast genauso wichtig war den Befragten eine kürzere Zeit vom Einrichten der Simulation bis zur Visualisierung der Ergebnisse. Bislang dauert die Generierung der Eingabewerte viel zu lang. Außerdem wünschten sich die Ingenieure einen intuitiveren Designfluss, möglichst alles in einem Werkzeug und mit automatischem Ablauf der Simulation über Nacht.

Es lief alles auf prädiktive Lösungen hinaus anstatt einer nachträglichen Erklärung dessen, was gebaut worden war. Um der genauen Modellierung von realen Treibstoffen die Komplexität zu nehmen und ihre Verhaltensmodelle im Zylinder zuverlässiger zu gestalten, entstand Forté als Nebenerzeugnis der Arbeit an einem von der Industrie finanzierten Projekt mit der Bezeichnung »Model Fuels Consortium« (MFC) unter der Führung von Reaction Design.

Das MFC vereint Anbieter (Kraftstoffhersteller) sowie »Energieabnehmer« (Autobauer) mit dem Ziel, genaue Treibstoffmodell-Chemiemechanismen zu erstellen, um diese dann in einer Simulation zu verwenden, egal ob es sich nun um Benzin oder Diesel oder alternative Kraftstoffe wie beispielsweise Biokraftstoffe handelt. Die ursprünglich acht MFC-Mitglieder sind mittlerweile auf mehr als zwanzig angewachsen, darunter VW und Peugeot (PSA) sowie japanische und amerikanische OEMs.

Das Konsortium baut die nur den Mitgliedern zugängliche Brennstoff-Datenbank ständig weiter aus, um die Präzision zu verfeinern und beim Auftauchen neuer Trends neuartige Kraftstofftypen einzubeziehen. Diese Datenbank stellt den Eckpfeiler der Intellectual-Property für genaue Verbrennungssimulation und Vorhersage der Rußpartikel dar. Mit wachsender Bedeutung von Dieselkraftstoffen wird die Weiterentwicklung von Rußmodellen auf wissenschaftlicher Basis verfolgt und dabei ein besonderer Schwerpunkt auf die Verteilung der Partikelgröße gelegt.

Modellierung von Treibstoffen

Dahinter steckt die Idee, dass sich die Kraftstoffe aus verschiedenen chemischen Molekülklassen zusammensetzen, und dass sich jede Struktur unterschiedlich verhält. Wenn es gelingt, eine Darstellung eines Treibstoffmoleküls zu finden, lässt sich auch das mit der Molekülklasse verbundene Verhalten darstellen. Außerdem entwickelte man eine Software zur Optimierung der Surrogat-Mischung, bei der die Oktan- oder Cetanzahl als einer der Eingabewerte dient. Damit können Ingenieure einige Grundrezepturen beschreiben und regionale Variationen sowie unterschiedliche Mischungsverhältnisse berücksichtigen. Außerdem wurde die Datenbank um Äthanole und Biotreibstoffe der zweiten Generation ergänzt.

Das Problem liegt darin, dass es, sobald man über tausend chemische Stoffe kommt, Wochen braucht, um eine Lösung für einen Motorzyklus zu erhalten. Diese Zeit steht nicht zur Verfügung. Unter Druck und nach der Zündung verändern sich der Druck sowie der Temperaturgradient, sodass zehntausende von Berechnungen erforderlich sind, um vorauszusagen, was die Moleküle aushalten müssen.

Die Komplexität sowohl des mechanischen als auch des chemisches Prozesses sowie die Art und Weise, wie sich beispielsweise ein injiziertes Spray im Zylinder verteilt, wirkt sich auf alle interessierenden Faktoren aus, zum Beispiel die Temperatur, den Beginn der Flamme und deren Ausbreitung (Bild 2). Im Motor laufen während jedes Zyklus‘ eine Reihe von komplizierten physikalischen und chemischen Vorgängen parallel ab, die alle zu berücksichtigen sind.

Reaction Design ging zur Lösung dieser chemischen Gleichungen neue Wege und brachte dazu bislang nicht verwendete Algorithmen in die Berechnung ein. Dadurch ließ sich die Komplexität von einer exponentiellen zu einer linearen Abhängigkeit reduzieren. Um diese Komplexität zu senken, setzt Forté eine spontane Reduktion des Mechanismus ein. Dieser betrachtet unter Zuhilfenahme eines »intelligenten« Algorithmus die nächste Zellensimulation und entscheidet, ob die Chemie in dieser nächsten Zelle für die Lösung erforderlich ist.

Wenn nicht, bleibt sie unberücksichtigt. Ergänzend kommt ein Clustering der Zellen hinzu: Wenn die Kinetik für eine bestimmte Zelle bereits berechnet wurde und eine benachbarte Zelle dieselbe Kinetik aufweist, wird sie nicht neu berechnet, sondern es wird die vorhandene Antwort verwendet. Forté erzeugt automatisch ein »Maschennetz« als Vertreter der Verbrennungskammer und verwendet dazu eine rechtwinklige oder kartesische Zelle mit einer Immersed-Boundary-Methode, die sämtliche physikalischen Daten enthält und dann alles eliminiert, was für die Berechnung nicht von Belang ist.

Im Gegensatz dazu werden bei anderen Lösungsansätzen fehlende Daten aus Schlussfolgerungen abgeleitet. Speziell diese Vorgehensweise steigert die Genauigkeit und verkürzt die Simulationszeiten. Die Einrichtung ist unkomplizierter, man braucht weitaus weniger Zeit zur Kalibrierung des korrekten Zerstäubungsmodells. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis zur Lösungsfindung um 25 Prozent bis 50 Prozent.

Motorkonzepte im Rechner evaluieren

Forté könnte die Entwicklung und das Verständnis von fortschrittlichen Motorkonzepten beschleunigen, die sich in hohem Maße auch um selbstzündende Benzinmotoren drehen, so die Lösung mit Kraftstoffvormischung (PCCI, Pre-Mixed Charge Compression Ignition) oder mit einem homogenen Gemisch (HCCI), die beide sparsamer und abgasärmer sind.

Die Ingenieure erhalten ein genaueres Bild davon, was etwa bei HCCI passiert, was den Übergang auf diese Technik erleichtert. Zudem arbeitet Reaction Design mit europäischen und amerikanischen Anbietern bei der Entwicklung von Zwei- und Mehrstoffmotoren zusammen, die Diesel mit Benzin oder Naturgas mischen und interessante Ergebnisse erzielen. Aktuelles Beispiel ist ein Benzin-Diesel-Motor, der 35 Prozent effizienter ist als Standardmotoren. Und da Forté zu Motorentwicklungen verhelfen kann, die zu einer reineren, vollständigeren Verbrennung führen, ließe sich auch die Katalysatorbelastung minimieren.

In der Zwischenzeit könnten die Kraftstoffanbieter ein durch Forté erzieltes besseres Verständnis der Treibstoffverbrennung nutzen, um den Endverbrauchern noch reinere und effizientere Kraftstoffe zur Verfügung stellen zu können. Obwohl die Zusammenarbeit mit einigen der Partner oft erst seit einigen Monaten besteht, haben deren Rückmeldungen bereits Rahmenbedingungen bei der Entwicklung verändert.

Sie können experimentelle Daten einbringen und neben der Modellierung von Daten in einem geschlossenen Kreislauf verschiedene Ansichten erstellen. Außerdem können sie Prognosen mit Testbench-Ergebnissen abgleichen und danach die Modellparameter oder Umwelt-Grenzwerte modifizieren. Auch dieser Punkt stand auf der erwähnten Wunschliste der Ingenieure weit oben.

Über den Autor:

Bernie Rosenthal ist CEO von Reaction Design.