CNG System Simulation

 

Die Auslegung von CNG betriebenen Autos mit Direkteinspritzung bedarf einer zeiteffizienten Systemsimulation. Moderne CFD Softwarepakete bieten die Möglichkeit einer sehr genauen Abbildung transienter Vorgänge in solchen Systemen, benötigen aber sehr lange Rechenzeiten, die den Entwicklungszeitraum solcher Systeme sprengen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer auf die Anwendung maßgeschneiderten Bauteilbibliothek in ein- bzw. zweidimensionaler Rechendomain, welche eine hohe Genauigkeit bei geringer Rechendauer bietet.
 

 
Nutzen Vorgehen

Schnelle Systemauslegung

Aufbau einer Bibliothek der Systemkomponenten

Effizienzsteigerung und Emissionssenkung

Validierung der Komponenten anhand analytischer Beispiele

Besseres Systemverständnis

Validierung der Simulation am Prüfstand

Kontakt

Fotografie von Herr Kratschun

Telefon

work
+49 241 80 47738

E-Mail

E-Mail
 

CNG Direkteinspritzsystemsimulation

Komprimiertes Erdgas (CNG) ist aufgrund mehrerer Vorteile eine vielversprechende Alternative für herkömmliche flüssige Brennstoffe. Die Verbesserung eines CNG-getriebenen Motors erfordert ein Direkteinspritzsystem. Eine zeiteffiziente Simulation des Systems ist für ein erfolgreiches Motordesign unerlässlich. In Zusammenarbeit mit der Ford Motor Company wird ein solches Simulationsmodell am ifas entwickelt und validiert.

Die Berechnung des Direkteinspritzsystems eines Gasmotors, erfordert eine hohe zeitliche Auflösung, da die Zeitskalen der Brennstoffeinspritz- und Verbrennungs-prozesse innerhalb von nur einigen Millisekunden und darunter liegen. Eine Möglichkeit solche Systeme zu simulieren bietet CFD-Software (Computational Fluid Dynamics). Die hohe Genauigkeit dieser Softwarepakete ist mit einem enormen Rechenzeitaufwand verbunden. Zum Beispiel erfordert eine vollständig transiente dreidimensionale Simulation von einer Millisekunde für eine geometrische Länge von nur wenigen Zentimetern einen Rechenaufwand von einer Woche.

Das Ziel des Projekts ist eine Reduktion des Rechenaufwands bei gleichzeitiger Beibehaltung einer angemessenen Genauigkeit. Dies wird durch die Anwendung, Verbesserung und Parametrisierung von eindimensionalen gasdynamischen Solvern erreicht.

  Simulative Abbildung eines T-Stücks links und die dazugehörige Prüfstandskomponente rechts Simulative Abbildung eines T-Stücks (links) und die dazugehörige Prüfstandskomponente (rechts)

Abbildung eines T-Stücks

Die unten stehende Abbildung zeigt den Druckverlauf innerhalb eines T-Stücks. Da ein T-Stück nicht eindimensional abgebildet werden kann, muss hier auf eine zweidimensionale Modellierung zurückgegriffen werden. Des Weiteren muss das zweidimensionale Rechengebiet mit dem eindimensionalen Rechengebiet gekoppelt werden.

  Simuliertes Frequenzmuster eines horizontalen Rohrs (links) mit vertikaler Abzweigung (rechts) an Stelle x=250mm Simuliertes Frequenzmuster eines horizontalen Rohrs (links) mit vertikaler Abzweigung (rechts) an Stelle x=250mm

Zur Validierung des entwickelten Modells dient die Akustiktheorie und Prüfstandvermessungen. Im unten stehenden Bild ist zur Validierung das Ergebnis eines \(\lambda/4\) Resonators zu sehen.

 
 

Danksagung

Das Projekt wird von der Ford Motor Company finanziert. Besonderer Dank für die Kooperation gilt dem Ford Research and Innovation Center Aachen.

 

Veröffentlichungen

Kratschun F., Enking J. Murrenhoff H.: „Transient simulation of a pneumatic sharp edged L-shaped pipe“, 2018, 11th International Fluid Power Conference, Aachen

Kratschun F., van Bebber, D., Murrenhoff H. „One Dimensional Transient Pneumatic System Simulation“, 2017, BATH/ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control (FPMC2017), 2017, Sarasota, Florida, USA