Eine Potenzialabschätzung für ein Verfahren zur Berechnung der motorischen Verbrennung auf Basis des Prinzips Zellulärer Automaten

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-32422
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Fahrzeugtechnik und Antriebssystemtechnik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. W. Thiemann
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.10.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Zellularer Automat
Freie Schlagwörter (Deutsch): Verbrennungssimulation, Verbrennungsmodell, Berechnungsmodell motorische Verbrennung, Berechnungsverfahren motorische Verbrennung, Simulation CH4-Verb
Freie Schlagwörter (Englisch): cellular automat, cellular automaton, simulation of combustion, model of combustion, calculation method for engine combustion, calculation model for e
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Die Simulationsrechnung gewinnt als erste Phase, aber auch als ständig begleitendes Instrument, in der Motorenentwicklung immer mehr an Bedeutung. Für die Brennverfahrensentwicklung ist neben der CFD-Berechnung, die die Zylinderinnenströmung erfasst, die Verbrennungssimulation von besonderem Interesse. Die derzeit verwendeten, dreidimensionalen Berechnungsmodelle beschreiben den Verbrennungsprozess mit Gleichungssystemen, die auf partiellen Differentialgleichungen basieren. Diese werden mit Hilfe von numerischen Verfahren gelöst. Aufgrund der hohen Anzahl an einzelnen Rechenoperationen, die diese Berechnungsmethode erfordert, ergeben sich lange Rechenzeiten. Auch treten bei einigen Verfahren zur Verbrennungsmodellierung mitunter numerische Instabilitäten auf, deren Ursachen in der Wahl der Randbedingungen, der räumlich und auch zeitlich diskreten Intervalle sowie im Modell an sich liegen können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein anderer Ansatz für die prädiktive Verbrennungssimulation gewählt. Dabei handelt es sich um das Prinzip des Zellulären Automaten. Diese Berechnungsmethodik aus der Informatik bietet die Möglichkeit, komplexe Vorgänge ohne partielle Differentialgleichungen beschreiben zu können, und findet in anderen wissenschaftlichen Disziplinen seit längerem Anwendung. Der Simulationsraum wird dabei in identische Elemente, die sogenannten Zellen des Automaten, aufgeteilt, die nach diskreten Zeitschritten diskrete Zustände aufweisen. Der Zustand einer jeden Zelle ergibt sich aus Berechnungsregeln, denen die Zustände der Zelle selbst und ihrer lokalen Nachbarn als Eingangsgrößen dienen. Die Zustandsaktualisierung erfolgt für alle Zellen räumlich parallel und zeitlich synchron. Die Parallelität der Berechnung führt dazu, dass komplexe Systemverhalten trotz einfacher Regeln abgebildet werden können. Im Übertrag auf die Verbrennungssimulation wird dementsprechend der Brennraum in Zellen aufgeteilt. Basierend auf dieser allgemeinen Funktionsweise Zellulärer Automaten ist ein Berechnungsmodell für die Simulation einer ottomotorischen Verbrennung mit äußerer Gemischbildung und CH4 als Kraftstoff entwickelt worden. Die Intention ist, eine hohe Ergebnisqualität bei moderaten Rechenzeiten zu erzielen. Um den gewählten Ansatz und das entwickelte Modell anwenden und bewerten zu können, ist es in ein Softwareprogramm umgesetzt worden. Die initiale Parametrierung sowie der Abgleich der Berechnungsergebnisse erfolgte mit Messergebnissen eines am Motorprüfstand mit Erdgas betriebenen Versuchsmotors. Es kann gezeigt werden, dass das Prinzip des Zellulären Automaten als Berechnungsmethodik eine aussichtsreiche Alternative zu den bisherigen Berechnungsverfahren darstellen kann. Die als Referenz genutzten, bekannten Betriebspunkte können mit dem Berechnungsmodell mit hohem Übereinstimmungsgrad abgebildet werden. Auch prädiktive Rechnungen zeigen plausibles Systemverhalten und realistische Resultate. Sowohl mit der erzielten, hohen Aussagekraft der Ergebnisse als auch mit der geringen Rechenzeit werden die in diesen Ansatz gesetzten Erwartungen erfüllt.

Kurzfassung auf Englisch:

Simulation calculation gains increased importance in the development process of combustion engines, in the initial phase as well as a constantly accompanying tool. Besides the CFD analysis which provides insight into in-cylinder flow behaviour, the simulation of the combustion itself is of particular interest to combustion process development. All current three-dimensional models are using systems of equations which are based on partial differential equations. Numerical methods are required to solve these tasks. The huge number of arithmetic operations resulting from this calculation method leads to long calculation times. In addition, numerical instabilities may occur in certain combustion modeling due to various reasons like the selceted boundary conditions as well as spatial and time intervals. Within the scope of this thesis an alternative method for predictive combustion simulation is chosen - according to the principle of a cellular automaton. This calculation methodology has its source in computer science. It has the potential to capture complex processes without using any partial differential equations and has already been applied in other scientific fields. The simulation space is divided into identical elements - the so-called cells - which adopt discrete states after discrete time intervals. The state results by applying rules which have the state of the cell and their neighbours as input. The update of the cells’ state happens simultaneously - spatially and temporally. The parallelism of the calculation enables the methodology to simulate various system behaviours of high complexity although the applied rules are relatively simple. Transferring this approach as a concept for combustion simulation the combustion chamber is accordingly split up into discrete cells. Based on the fundamental functionality of a cellular automaton, a calculation model has been developed to simulate a spark ignition combustion of CH4 with external carburetion. The objective is to get high quality results combined with far shorter computation times. In order to evaluate the model set up within the thesis, a software program has been generated. Measurement results conducted on engine test bench are used in a first step for an initial parameterization of the model and in a second step to compare the measured values with the computation results. It is shown that the principle of a cellular automaton can be considered as a promising alternative to the conventional calculation methods. The operating points of the experimental results are well reflected by the computational model. Furthermore, realisitc and plausible results are equally achieved in predictive case studies. The high degree of correlation and the short computation times meet the expectations by using this approach and can be considered as a proof of concept.

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