Komplexe Simu­la­tionen für bessere Motoren

Der Verbrennungs­motor ist ein täglich genutzter Gegenstand und immer noch die tragende Säule der Automobil­technik. Für Konstruk­teure und Ingenieure birgt er kaum noch Geheimnisse. So zumindest scheint es. Doch im Inneren dieses Motors spielen sich komplexe Vorgänge ab, die immer noch nicht in allen Details erforscht sind. Forscher der TU Darmstadt wollen das ändern. In ihren Projekten erarbeiten sie mathemati­sche Modelle, um die Prozesse in Verbrennungs­mo­toren zu simulieren. Nutzer dieser Modelle können damit unter anderem herausfinden, wie man den Wirkungs­grad der Motoren steigern und die Abgasent­wick­lung reduzieren kann. 

Unerforschte Prozesse im Zylinder

Im Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik analysiert Professor Dr. Andres Dreizler turbulente Verbrennungs­vor­gänge und speziell deren Interaktion mit den Wänden des Brennraums. „Wir liefern eine Methodik, die es ermöglicht, die Wand-Wärme-Verluste zu quantifi­zieren,“ sagt der Wissenschaftler. Was Dreizlers Team bisher herausge­funden hat: An den Wänden des Brennraums treten starke Kohlenmon­oxid-Konzentra­tionen auf – ein Indikator für eine unvollstän­dige Verbrennung. Weil es dort kühler ist als im Inneren des Zylinders, laufen gekoppelte Reaktions-Transport-Prozesse an den Wänden anders ab als im Inneren des Brennraums und beeinträch­tigen Wirkungs­grad und Abgasent­wick­lung. 

Mit den Berechnungs­me­thoden aus Darmstadt können die Motorenent­wickler die damit einherge­henden Effizienz­ein­flüsse ermitteln und auch die erforder­liche Bauteile­fes­tig­keit bestimmen: Wie heiß wird mein Zylinder­kopf? Welche konstruk­tiven Maßnahmen sind nötig, um ein „Durchbren­nen“ zu verhindern? Zudem, so Dreizler, sollen die Simulationen den Anwendern helfen, die primäre Schadstoff­bil­dung im Brennraum zu quantifi­zieren – alles Aufgaben, die heute aktuell sind wie nie. 

Downsizing macht die Sache kompliziert

Die Motorenent­wickler müssen diese Prozesse in den Griff bekommen, denn die Vorschriften bezüglich der Schadstoff­emis­sionen werden immer strenger; gleichzeitig erwarten die Kunden Verbesse­rungen bei der Kraftstoff­ef­fi­zienz. Und der Markt verlangt, Abgaskrise hin oder her, dass das Fahrzeug beim Tritt aufs Gaspedal auch zeigt, was es drauf hat. Die Trends in der Motorenent­wick­lung – Downsizing, Aufladung, Steigerung der spezifischen Hubraumleis­tung – machen es dem Ingenieur dabei nicht leichter. Denn, auch das zeigen die Versuche, die mit dem Downsizing einherge­hende Verkleine­rung der Brennräume verschärft die Problematik der Interaktion zwischen Verbrennung und Wand. Es entsteht dabei mehr Kohlenmon­oxid als erwartet und in der Folge reduziert sich der Wirkungs­grad. 

Die Methodik der Darmstädter ist nicht eben simpel. „Wir haben Gleichungen, die die Strömung beschreiben. Wir haben auch, zumindest für einfachere Brennstoffe, eine genaue Kenntnis davon, wie die chemischen Reaktionen ablaufen. Dazu kommt die komplexe Geometrie des Brennraums. Wenn Sie das alles rein numerisch rechnen wollten, würden Sie die größten Großrechner der Welt über Jahre hinaus auslasten – und hätten am Ende doch nur wenige Zyklen errechnet“, beschreibt Dreizler die Größenord­nung des Problems. 

Die Lösung liegt in der Vereinfa­chung: Es geht darum, Modelle zu entwickeln, die mit einer gröberen räumlichen und zeitlichen Auflösung das Wesentliche des Geschehens über Differen­ti­al­glei­chungen abbilden. Diese mathemati­schen Modelle müssen nichts Geringeres leisten als alle die genannten Faktoren richtig zu erfassen und korrekt miteinander zu verknüpfen. Schadstoff­bil­dung, Turbulenzen, Kraftstof­f­e­in­sprit­zung oder auch der Einfluss der Zylinder­wan­dungen – ein Faktor, der auf wissenschaft­li­cher Ebene bisher kaum untersucht wurde. 

„Virtual Machine“ zur Abbildung des Motors im Computer

Inspiriert ist Dreizler dabei von der Art, wie man in der Luftfahrt bei der Modellie­rung von Gasturbinen vorgeht. Nämlich über die Schaffung einer „Virtual Engine“, eines virtuellen Abbilds des Triebwerks als Modell im Computer. Ausschlie­ß­lich computer­ge­stützt geht Dreizler jedoch nicht vor. Die mathemati­sche Modellbil­dung wird durch intensives Experimen­tieren unterstützt; zudem werden die Modelle anschlie­ßend experimen­tell validiert. 

Die Simulationen und Modelle, die in Darmstadt entwickelt werden, sollen aber nicht einfach die Welt erklären. Anliegen der Darmstädter ist es vielmehr, Simulati­ons­me­thoden zu erarbeiten, die von Anwendern in der Automobil­in­dus­trie praktisch eingesetzt werden können. Mit diesen Simulationen als „Werkzeug­kas­ten“ können die Motorenent­wickler dann herausfinden, wie sie beispiels­weise die Schadstoff­emis­sion über Veränderungen der Brennraum­geo­me­trie oder durch andere Wandtempe­ra­turen in den Griff bekommen.