Weiterentwickelte turbulente Wärmeübertragung bei Verbrennungsmotoren
Die Luft- und Kraftstoffströmungen im Zylinder eines Verbrennungsmotors sind fast immer turbulent. Je turbulenter der Luftstrom ist, desto größer ist die Vermischung von Luft und Kraftstoff, die vor der Zündung erreicht werden kann. Turbulenzen im Moment der Zündung können zu einer schnellen und vollständigen Verbrennung führen, allerdings führen sie auch zu einer erhöhten Wärmeübertragung in Richtung der Zylinderwand, wodurch eine Reduzierung des thermischen Wirkungsgrads des Motors verursacht wird. Im Rahmen des MINNOX-Projekts haben sich einige der wichtigsten Vertreter der europäischen Fahrzeugindustrie, die über umfangreiche Erfahrung und Fachwissen auf diesem Gebiet verfügen, mit führenden europäischen Universitäten zusammengeschlossen. Ziel dieses Zusammenschlusses war es, ein physikalisches Modell zur genauen Vorhersage der Wärmeübertragung, der Geschwindigkeiten und des Temperaturverlaufs im Inneren des Zylinders eines Verbrennungsmotors zu entwickeln. Die Validierung dieses Modells würde dann mit Messergebnissen erfolgen, die anhand eines experimentellen Aufbaus, der während dieses Projekts weiterentwickelt wurde, gewonnen werden. Der numerische Ansatz ist insbesondere für die Fahrzeugindustrie interessant, da es hiermit möglich ist, Ergebnisse innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne zu erhalten und auszuwerten. Dies kann bei der technischen Entwicklung und darüber hinaus auch während der Optimierungsphase zu einer deutlichen Zeitersparnis führen. Das Modell, das von den Projektpartnern an der Delft University of Technology (Niederlande) eingeführt wurde, ist so einfach aufgebaut, dass es in kommerzielle Programmcodes aus dem Bereich der rechnergestützten Strömungsmechanik implementiert werden kann. Mit diesem Code ist es sogar möglich, die wichtigsten Phänomene wie den Wandeffekt und den Einschwingvorgang, die im Motorzylinder auftreten, zu erfassen. Der Ansatz, der im Rahmen dieser Forschungsarbeit gewählt wurde, war die Modellierung der elliptischen Relaxation. Dies ist ein Fortschritt im Vergleich zu den momentan verwendeten Zweigleichungs-Turbulenzmodellen, ist aber noch nicht so genau wie das Reynolds-Stress-Modell. Bei den Turbulenzmodellen, bei denen ein ausreichend genaues Netz erforderlich ist, wurden neue verallgemeinerte Wandfunktionen hinzugefügt, die nicht durch die herkömmlichen Gleichgewichtsannahmen beschränkt werden. Die Verifikation des Modells in idealisierter Konfiguration zeigt eine Übereinstimmung mit Temperatur- und Geschwindigkeitsberechnungen aus experimentellen Daten und mit Berechnungen anhand von Large Eddy Simulationen (LES).
