Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang im Kontext von Vorkammerzündsystemen mithilfe numerischer Strömungsmechanik
Creators: name: Rensinghoff, Vincent
name: :Unav
Publisher: name: Fraunhofer-Gesellschaft
Year: 2022
Subjects: Strömungsmechanik
Verbrennungsmotor

description: Diese Arbeit beschäftigt sich mit der simulativen Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang im Kontext von Vorkammerzündsystemen. Dies geschieht im Rahmen der Entwicklung eines Gasmotors mit gasgespülter Vorkammer. Entscheidende Größen für die Strömung und Arbeitsweise in einer Vorkammerzündkerze sind die Geometrie und Anordnung der Überströmbohrungen, das Vorkammervolumen und die Form der Vorkammer. Die Betrachtung wird dafür aufgeteilt in die Themen Spaltströmungen, Wärmeübergang und drall-behaftete Strömungen. Diese werden zunächst isoliert betrachtet und letztendlich in einem Anwendungsfall zusammengeführt. Für die Betrachtung von Spaltströmungen werden unterschiedliche Platten mit Bohrlöchern zu verschiedenem Drücken, Durchmessern und Plattenstärken durchströmt und der Wärmeübergang und der Drall werden mithilfe einer durch Leitbleche gelenkte Strömung in einem beheizten Rohr untersucht. Die Zusammenführung der Themen wird anhand einer Anströmvorrichtung für Brenngase auf Motorzylinder durchgeführt. Dabei erreichen die Gase hohe Temperaturen und aufgrund von hohen Drücken und Spaltströmungen große Geschwindigkeiten. Für die Simulation werden die Programme Ansys Fluent und Ansys Forte verwendet. Während ersteres primär für die Simulation von Strömungen verwendet wird, ist Forte speziell aufgebaut, um in Verbrennungsmotoren neben der Berechnung der Strömung auch die Einspritzung von Kraftstoff, die Verbrennung dessen und die resultierenden Schadstoffe zu berechnen. Da die Ergebnisse aus Forte eine große Gewichtung in der Beurteilung der Entwicklungsarbeit des Gasmotors haben, muss Forte selbst validiert werden. Dies wird durchgeführt anhand der angesprochenen Teilthemen und verglichen mit Messungen aus der Literatur und Simulationsergebnissen in Fluent.
description: This work deals with the simulative investigation of flow and heat transfer in the context of prechamber ignition systems. This is done in the context of the development of a gas engine with a fueled prechamber. Decisive variables for the flow and operation in a prechamber spark plug are the geometry and arrangement of the prechamber orifices, the prechamber volume and the shape of the prechamber. For this purpose, the analysis is divided into the topics of orifice flow, heat transfer and swirling flows. These are initially considered separately and finally combined in a single application case. For the consideration of orifice flow, different plates with holes are flowed through at different pressures, orifice diameters and plate thicknesses. Heat transfer and swirl are studied using flow directed by vanes in a heated pipe. The topics are brought together using an inflow device for fuel gases on engine cylinders. The gases reach high temperatures and high velocities due to high pressures and flow through small gaps. For the simulation the tools Ansys Fluent and Ansys Forte are used. While the former is primarily used for simulating flows, Forte is specially designed to calculate fuel injection, combustion and the resulting emissions in internal combustion engines in addition to calculating the flow. Since the results from Forte have a great weighting in the evaluation of the development work of the gas engine, Forte itself must be validated. This will be done on the basis of the subtopics addressed and compared with measurements from the literature and the results in Fluent.