Reduzierung der Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren
Mit der Zeit hat sich die Anwendung der numerischen Strömungsmechanik bei der Entwicklung und der Optimierung von Verbrennungsmotoren etabliert. Die hier verwendeten modernen numerischen Modelle sind insbesondere bei der Erstellung von detaillierten Beschreibungen des Zündzeitpunkts und der Wärmefreisetzung nützlich, die notwendig sind, um die Mechanismen bei der Bildung von Stickoxiden (NOx) nachvollziehen zu können. Dieser Ansatz unter Verwendung von numerischen Methoden war insbesondere für die Industriepartner des MINNOX-Projekts interessant, da hierdurch die Notwendigkeit von zeitintensiver experimenteller Forschungsarbeit drastisch verringert wird. Einige der bekanntesten europäischen Fahrzeughersteller haben mit ihrem Wissen dazu beigetragen, ein exaktes Modell zu entwickeln, in dem sämtliche wichtigen physikalischen Vorgänge, die in den Zylindern eines Verbrennungsmotors ablaufen, abgebildet werden. Bei kommerziellen Softwarepaketen aus dem Bereich der numerischen Strömungsmechanik basieren die Turbulenzmodelle auf einer Reihe von getroffenen Annahmen, wodurch diese Programme für die Verwendung bei bestimmten Strömungsarten besonders leistungsfähig sind. Von besonderer Wichtigkeit für eine genaue Vorhersage der Eigenschaften einer wandgebundenen turbulenten Strömung ist indessen, die Charakteristik der Turbulenzeffekte in der Nähe der Zylinderwand genau aufzulösen. Forschungsarbeiten, die hierzu in den Forschungseinrichtungen der DaimlerChrysler AG in Deutschland durchgeführt wurden, hatten zum Ziel, die Computerprogramme KIVA-3 und STAR-CD, die zur numerischen Berechnung von dreidimensionalen chemisch reaktiven Flüssigkeitsströmungen verwendet werden, zu verbessern. Bei diesen Programmen wurde eine vereinheitlichte und verallgemeinerte Verwendung von Randbedingungen eingeführt, um ein höheres Maß an Genauigkeit bei der Vorhersage der Wandreibung zu erreichen. Ohne die Verwendung von leistungsfähigen Rechengrids oder die Inanspruchnahme von umfangreichen Rechnerkapazitäten, die in der Regel für numerische Simulationen erforderlich sind, konnten raynoldsgemittelte Navier-Stokes-Berechnungen (RANS, Reynolds-averaged Navier-Stokes) und Large Eddy Simulationen (LES) bis auf die Zylinderwand ausgedehnt werden. Der KIVA-3- und der STAR-CD-Programmcode wurden, unter Berücksichtigung der vorgeschlagenen Verbesserungen, zur Simulation von stationären und pulsierenden Flüssigkeitsströmungen in einem Einzylindermotor verwendet, da man sich von der Verwendung dieser Programme eine hohe Flexibilität in Kombination mit einem geringen Rechenaufwand versprach. Die Berechnungen, die für ein umfangreiches Spektrum von verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt wurden, standen in guter Übereinstimmung mit Berechnungen anhand der Direkten Numerischen Simulationen (DNS) und mit Daten, die mithilfe eines Versuchsaufbaus gesammelt wurden, der während des Projekts entwickelt wurde.
