Kombination von datenbasiertem Verbrennungsmodell und erweiterter Turbolader–Simulationsmethodik

Zusammenfassung

Die Optimierung des Anpassungsprozesses des Abgasturboladers auf den Verbrennungsmotor wird zunehmend durch den Einsatz von eindimensionalen numerischen Simulationsmodellen unterstützt. Um die Vorhersagegüte der Motorprozesssimulation zu verbessern, müssen sowohl die Verbrennungsmodellierung als auch die Abgasturbolader–Simulationsmethodik optimiert werden. Hierzu wird in dieser Veröffentlichung ein Ansatz vorgestellt, welcher die Kombination einer datenbasierten Beschreibung des Hochdruck–Motorprozesses und des Emissionsverhaltens mit einer erweiterten physikalischen Ladungswechsel–Simulationsmethodik beinhaltet.

In diesem Beitrag wird der datenbasierte Ansatz der Hochdruckprozess–Modellierung und Rohemissionsvorhersage sowie die Datengenerierung am Einzylinder–Forschungsaggregat durch eine umfangreiche Parametervariation von Ladungswechselgrößen und emissionsbeeinflussenden Motorparametern im gesamten Motorkennfeld vorgestellt. Des Weiteren gibt die vorliegende Veröffentlichung einen umfassenden Einblick in die Bausteine der erweiterten Abgasturbolader–Simulationsmethodik. Diesbezüglich werden Ergebnisse einer Separation von Wärmeströmen und Reibung aus den konventionell am Heißgasprüfstand vermessenen Wirkungsgradkennfelder präsentiert. Zusätzlich zeigt der Beitrag Resultate einer mathematisch unterstützten physikalischen Extrapolation der Turbinencharakteristik über den gesamten Betriebsbereich der Turbine. Die erweiterte Abgasturbolader– Simulationsmethodik wird durch ein Wärmestrommodell der Abgasturbolader–Hardware sowie durch ein ATL–Reibleistungsmodell vervollständigt.

Die nachfolgende Validierung der kombinierten Simulationsmethodik zeigt die hohe Güte des angewendeten datenbasierten Ansatzes zur Verbrennungsmodellierung bezüglich der NOx–Emissionsvorhersage in stationären sowie in transienten Simulationsrechnungen. Der in der Verbrennungsmodellierung integrierte Algorithmus zur Rekonstruktion des Zylinderdruckverlaufs ermöglicht eine genaue Vorhersage des Enthalpieangebots vor Turbine unter Berücksichtigung der Zielwerte für den indizierten Mitteldruck des Hochdruckprozesses. Die im Anschluss daran durchgeführten stationären und transienten Simulationsrechnungen der hier neu kombinierten und abgestimmten Simulationsmethodik illustrieren eindrücklich, dass die beschriebene Methodik die Vorhersagegüte des thermischen Abgasturbolader–Verhaltens gegenüber der konventionellen Motorprozesssimulation signifikant verbessert, ohne die wesentlichen Betriebskenngrößen des Motors zu beeinflussen.

Dementsprechend kann die kombinierte Simulationsmethodik als ein geeignetes Werkzeug in der Simulationskette dienen, um die Simulationsmethoden rund um die Powertrain– Entwicklung zu optimieren.