Entwurf von Einlasskanälen | Intake Port Design

Die Einlasskanäle sind der letzte Teil des Luftansaugsystems eines Motors. Sie verbinden den Ansaugkrümmer mit der Brennkammer und werden mit den Einlassventilen geöffnet und geschlossen.

Einlasskanäle finden sich zwar in allen Motorentypen, haben aber einen besonders dominanten Einfluss auf die Luft-Kraftstoff-Gemischbildung in Ottomotoren. Bei Dieselmotoren wird dieser Vorgang dagegen zusätzlich maßgeblich von der sogenannten Koldenmulde beeinflusst.

Darüber hinaus ist die Form der Einlasskanäle für die Ladungsbewegung verantwortlich. Günstig geformte Wirbel reduzieren den Energieverlust und beeinflussen die Luftmenge, die in die Brennkammer gelangt, wobei eine Erhöhung zu einer höheren Motorleistung führt.

Dieser Artikel gibt eine kurze Einführung in die relevanten Entwurfsfähigkeiten für Einlasskanäle in CAESES®. Darüber hinaus wird ein Projekt vorgestellt, bei dem CAESES® und STAR-CCM+ gekoppelt wurden, um die Formoptimierung eines Einlasskanals vollständig zu automatisieren.

CAESES® Fähigkeiten für den Entwurf von Einlasskanälen

CAESES® wird eingesetzt, um hocheffiziente Einlasskanäle zu entwerfen, und verfügt über mehrere Schlüsselfunktionen für diese spezifische Aufgabe. Der Kanal wird typischerweise mit der sogenannten CAESES® Meta Surface Technologie modelliert, bei der ein parametrisierter Querschnitt in eine bestimmte Richtung, z.B. entlang eines Pfades, bewegt wird und Funktionskurven steuern, wie sich die Querschnittsparameter während des Sweeps ändern. Es können beliebige Querschnittsparametrisierungen verwendet werden.

Dieser Controlled-Sweep-Ansatz bringt ein hohes Maß an Flexibilität mit sich, während die Anzahl der Konstruktionsparameter so gering wie möglich gehalten wird, um eine schnellere Optimierung zu ermöglichen.

Hier ist eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Merkmale bei der Konstruktion von Ansaugkanälen mit CAESES®:

Die Geometrieparametrisierung kann so gewählt werden, dass strömungsrelevante Parameter direkt gesteuert werden, z.B. die Verteilung der Querschnittsfläche entlang des Pfades, auch unter Berücksichtigung von Blockierungen durch die Ventilführung oder -stange.

Alternativ können Morphing-Methoden verwendet werden, um eine vorhandene – importierte – Geometrie zu verformen. Dies ist schneller, aber weniger flexibel und bietet weniger direkte Kontrolle. Das Morphing kann auf eine NURBS-Oberflächengeometrie angewendet und als IGES/STEP/etc. exportiert werden, sowie auf diskretisierte Geometrie wie Netze und Tessellierungen.

Eine robuste Variation der Einlasskanalgeometrie ist möglich, ohne dass es zu Fehlern kommt. Wie bei anderen Geometrien ist eines der wichtigsten Ziele unserer Software die 100% robuste Geometrievariation, die durch intelligente Parametrisierung und abhängigkeitsbasierte Modelle erreicht wird.

Beliebige Randbedingungen können in das Modell integriert oder überwacht werden. Typische Beispiele sind Fertigungsrandbedingungen wie Auszugswinkel und minimale Radien oder räumliche Einschränkungen, bei denen der Abstand zu benachbarten Komponenten/Elementen eingehalten werden muss.

Die Geometrie kann in verschiedenen Formaten exportiert werden, die für die entsprechenden CFD-/Vernetzungswerkzeuge ideal geeignet sind. Viele der Formate unterstützen die Benennung von Patches, so dass das nachgeschaltete Werkzeug Oberflächenpatches für die Zuordnung individueller Netzeinstellungen oder Randbedingungen korrekt identifizieren kann.

Fallbeispiel: Einlasskanaloptimierung mit STAR-CCM+

Im Folgenden wird eine Optimierungsstudie beschrieben, die durchgeführt wurde, um den Workflow zur Einlasskanaloptimierung mit CAESES® und STAR-CCM+ zu demonstrieren. Der Einlasskanal ist eine typische Geometrie für einen Ottomotor, kombiniert mit einer dachförmigen Brennkammer und vier Ventilen pro Zylinder.

Geometriemodellierung

Das parametrische Einlasskanalmodell wurde in CAESES® erstellt und ein Satz von sieben Parametern für die Optimierung ausgewählt. Der Ellipsenfaktor an zwei Stellen des Pfades steuert, ob der Querschnitt eine kreisförmige oder eher elliptische Form hat. Die Exzentrizität an den gleichen Stellen des Pfades wandelt die Querschnittsform von einer kreisförmigen/elliptischen zu einer D-förmigen. Der Einlasswinkel steuert den Winkel zwischen dem Pfad des Einlasskanals und der horizontalen Ebene und die Einlasshöhe den Startpunkt des Pfades. Die gerade Länge am Eingang kontrolliert den Verlauf des Pfades, wenn er auf eine horizontale Ebene projiziert wird, insbesondere die Dauer, wie lange dieser gerade verläuft, wenn er aus dem Einlass kommt. Sie hat einen großen Einfluss auf die Septumlänge.

STAR-CCM+ Automatisierung

STAR-CCM+ wurde über den Software Connector mit CAESES® gekoppelt. Die Geometrie, wie zuvor dargestellt, wurde durch ein halbkugelförmiges Plenum zur Modellierung der Einströmungsbedingungen ergänzt und in ein “farbiges” STEP-Format exportiert, das individuelle IDs zur Identifizierung der verschiedenen Patches enthält. Die Simulation wurde unter stationären, “kalten” Bedingungen durchgeführt, vergleichbar mit einer realen Versuchsanordnung.

Optimierungsprozess und -ergebnisse

Die Optimierung des Einlasskanals erfolgte in drei Schritten. Zunächst wurde ein DoE mit einer Sobol-Sequenz durchgeführt, um Trends und Korrelationen zu erkennen. Anschließend wurde eine vorläufige Optimierung mit einem Ersatzmodell und einem genetischen Algorithmus durchgeführt, um die Pareto-Front zu identifizieren. Diese Methoden sind vollständig in CAESES® integriert. Abschließend wurde ein zweiter Optimierungslauf mit der gleichen Methode wie zuvor durchgeführt, um die zuvor identifizierte Pareto-Front weiter zu füllen und zu verfeinern. Zwei gleichzeitige Ziele wurden berücksichtigt: der Durchflusskoeffizient und das Tumble-Verhältnis. Zusätzlich wurden die turbulente kinetische Energie im Zündkerzenbereich und die Swirl-Bewegung (oder Omega-Tumble) überwacht. Der gesamte Optimierungsprozess umfasste insgesamt ca. 150 Varianten und damit CFD-Simulationen.

Die beiden Ziele waren – nicht überraschend – antikorreliert und der Einfluss der Entwurfsparameter auf die Zielfunktionen war sehr unterschiedlich. Während z.B. die Querschnittsexzentrizität in der stromaufwärts gelegenen Stelle fast keinen Einfluss hatte, hatte der gleiche Wert stromabwärts einen ausgeprägten, aber entgegengesetzten Einfluss auf die beiden Ziele. Andere Parameter waren nur mit einem Ziel korreliert. So hatte z.B. der Einlasswinkel eine positive Korrelation mit dem Tumble-Verhältnis und der Ellipsenfaktor stromabwärts eine negative Korrelation mit dem Durchflusskoeffizient.

Aus der finalen Pareto-Front konnten, basierend auf verschiedenen Gewichtungen, mehrere Einlasskanäle ausgewählt werden, wobei sich die besten Lösungen durch einen ziemlich hohen Einlasswinkel und eine relativ kurze gerade Länge am Einlass auszeichneten. Die Variante, die am Ende ausgewählt wurde, wies einen deutlich verbesserten Durchflusskoeffizienten auf, mit einem nur geringfügig niedrigeren Tumble-Verhältnis als die initiale Variante.

Die Firma FRIENDSHIP SYSTEMS AG entwickelt und vertreibt die Software CAESES. CAESES ist eine Anwendung für Ingenieure, die simulationsgetriebene Formoptimierungen automatisiert durchführen möchten. Typische Anwendungen sind die strömungsbasierte Optimierung von Schiffsrümpfen, Turboladern, Pumpen und Triebwerken. Meist ist das Ziel eine bessere Energie-Effizienz oder auch die Robustheit der Designs hinsichtlich der Performance und der Herstellung. FRIENDSHIP SYSTEMS wurde 2001 gegründet und sitzt mit dem gesamten Team in Potsdam, Deutschland.

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