Optimierung der Einlasskanalgeometrie eines Ottomotors mit Hilfe transienter CFD Simulationen

Zur Reduzierung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs werden moderne Verbrennungsmotoren kontinuierlich weiterentwickelt. Bei der Geometrieoptimierung einzelner Bauteile nimmt die numerische Strömungssimulation (CFD) eine immer wichtigere Rolle ein. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Prozesskette zur Einlasskanaloptimierung mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen vorgestellt, die eine bereits vorhandene Methode weiterentwickelt. Gängige Verfahren verwenden zur Beschreibung der Ladungsbewegung eine stationäre Kennzahl, was insbesondere bei alternativen Ventilhubstrategien, wie dem frühen Schließen der Einlassventile, eine starke Vereinfachung darstellt. Mit einer modifizierten, vollautomatisierten Prozesskette kann die stationäre Kennzahl durch eine transiente ersetzt werden, um so eine motornahe und damit realistischere Bewertung der Ladungsbewegung zu erzielen. Die vorliegende Arbeit beschreibt alle hierfür erforderlichen Prozessschritte. Als Zielgröße zur Bewertung der Ladungsbewegung wird die Tumblezahl verwendet. Um eine zusätzliche stationäre Simulation zur Berechnung der Durchflusszahl zu vermeiden, wird aus dem Ansaugvorgang eine entsprechende Durchflusskennzahl ermittelt. Bei der CFD Simulation stellt das Auffinden eines geeigneten Kompromisses zwischen Genauigkeit und Rechenzeit die größte Herausforderung dar. Hierfür werden zum einen Vergleiche mit PIV-Messungen durchgeführt und zum anderen wird das Systemverhalten eines parametrisierten Einlasskanalmodells mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen ermittelt und verglichen. Im Kontext einer Optimierung hat sich das k-Epsilon Modell als bester Kompromiss erwiesen. Um zusätzlich die Anzahl an Simulationen gering zu halten, kommt als Optimierungsverfahren eine ersatzmodellgestützte Optimierung zum Einsatz. Abschließend wird die Optimierung der Einlasskanalgeometrie eines modernen 2,0l Ottomotors vorgestellt. Dafür werden zunächst die wesentlichen Faktoren des parametrisierten Einlasskanalmodells identifiziert. Aus der anschließenden Optimierung ergibt sich eine Kanalvariante, die bei gleicher Ladungsbewegung ein erhöhtes Durchflussverhalten aufweist. Eine Validierung am Motorprüfstand belegt das verbesserte Durchflussverhalten und zeigt keinen negativen Einfluss auf das übrige Motorverhalten. Damit bestätigt sich das gewählte Vorgehen und die Wahl der Zielgrößen, die es erlauben beliebige Ventilhubstrategien im Rahmen einer Einlasskanaloptimierung zu berücksichtigen.