Von der Systemsimulation bis zur CFD: 1D–3D-Kopplung mit AVL CRUISE™ M und AVL FIRE™ M

Ein Gaspfad in CRUISE M wird entweder in 0D (HIL/SIL-Echtzeitanwendungen) oder in 1D (höhere Vorhersagekraft und damit höherer Rechenaufwand) modelliert. Die Vorhersagekraft hinsichtlich geometrischer Änderungen lässt sich durch die Modellierung ausgewählter Teile des Gaspfades mit 3D-CFD verbessern, wie bei folgenden Anwendungsfällen  im Bereich der Simulation von Verbrennungsmotoren:

1. EGR-Zuleitungskonfiguration im Ansaugkrümmer zur Vorhersage des zylinderindividuellen EGR-Anteils
2. Ansaugkrümmer für Saugmotoren zur Vorhersage des zylinderindividuellen Liefergrades (Frischladung)
3. Abgassystem mit starken Pulsationen zur Verbesserung der Zylinderleerung durch Nutzung von Saug-Phänomenen

Das erste aufgeführte Anwendungsbeispiel wurde ausgewählt, um die CRUISE M – FIRE M-Gasströmungs-Co-Simulation anhand der Analyse des zylinder-individuellen EGR-Anteils eines aufgeladenen 4-Zylinder-Dieslemotors zu veranschaulichen (Abbildung 1).

Die Co-Simulation wird gemäß dem FMI-Standard unter Verwendung der FIRE M FMU Export App verwaltet. Die resultierende FIRE M FMU-Instanz wird in die spezielle CRUISE M Gas flow FMU-Komponente importiert, die gleichzeitig als Container für die 1D-Repräsentanz (Surrogat) des durch Gas flow Interface-Komponenten abgetrennten FIRE M Gaspfadteils dient.

Abhängig von der Größe des in FIRE M modellierten Gaswegteils kann der Echtzeitfaktor (RTF = (Realzeit)/(Simulationsmodellzeit)) bis zu vier Größenordnungen größer sein als der von CRUISE M. Um die in FIRE M aufgewendete Simulationszeit zu minimieren, wird die erforderliche Konvergenzphase (Anlauf/Hochlaufphase) zum Erreichen eines zyklisch- stationären Betriebszustands des CRUISE M-Kernmotors ohne den FIRE M Teil durchgeführt, wofür das erwähnte CRUISE M 1D-Surrogat des FIRE M Gaspfadteils zum Einsatz kommt.

Die CRUISE M-FIRE M-Gasströmungs-Co-Simulation ist daher in drei Betriebsphasen unterteilt (Abbildung 2):

1. Ruhephase der FMU-Co-Simulation (CRUISE M Ersatzsubsystem in Betrieb, FIRE M Gaspfadsimulation deaktiviert) zum Erreichen eines (zyklischen) stationären Betriebszustands von CRUISE M
2. FIRE M 3D Rückkoppelungs-unterdrückte 1D-3D-FMU-Co-Simulation (CRUISE M Ersatzsubsystem und FIRE M FMU in Betrieb, jedoch werden die von FIRE M vorgegebenen Strömungszustandsgrößen in CRUISE M nicht zur Kenntnis genommen, um eine potenziell erhebliche Störung des (eingeschwungenen)stationären Betriebs zu vermeiden, während das Gas in FIRE M-Gas aus dem Initalisierungszustand heraus beschleunigt wird
3. Vollständige 1D-3D-FMU-Co-Simulation (Simulation des CRUISE M-Ersatzsubsystems deaktiviert)

Die Komponenten der Gasströmungs-Schnittstelle steuern die Kommunikation des Gasströmungszustände (nach dem Prinzip eines 3/2-Wege-Wegeventils) über die verschiedenen Betriebsphasen hinweg.

Mit dieser Methode lässt sich die Gesamtsimulationszeit erheblich verkürzen. Im gezeigten Beispiel werden nur fünf der fünfundvierzig Motorzyklen mit aktivierter FIRE M Simulation durchgeführt.

Aufgrund der einheitlichen Behandlung der Gasspezies in den Gasströmungsdomänen von CRUISE M und FIRE M lässt sich sich anhand des räumlich-zeitlich zyklischen Strömungsmusters im 3D-diskretisierten FIRE M Ansaugkrümmer der Anteil der Verbrennungsprodukte in den Ansaugkanälen der einzelnen CRUISE M Zylinder korrekt voraussagen. Am untersuchten Volllast-Betriebspunkt von 3500 U/min variiert der AGR-Anteil zwischen den Brennkammern erheblich und reicht von 6 % bis 29 % (Abbildung 4). Diese große Streuung deutet auf eine ungeeignete Position der AGR-Zuleitung hin, die gegenüber dem Frischlufteinlass angeordnet ist. Die daraus resultierende Schwankung des Verbrennungs-Überschussluftverhältnisses (±25 % um den Mittelwert), verursacht durch eine gleichmäßige Kraftstoffeinspritzung in die verschiedenen Brennräume, führt zu einem deutlichen Anstieg der NO_x-Emissionen.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, geht die Erfassung der Schwankungen des Restgasanteils in der Brennkammer über die Modellierungstiefe des CRUISE M Ersatzsubsystems hinaus. Für den Ansaugkrümmer, der durch eine 0D-Plenum-Komponente dargestellt wird, wird ein Ansatz der perfekten Durchmischung angewendet, um die Gasspezies auszugleichen. Dies führt zu der erwarteten gleichmäßigen Restgasverteilung in den ersten beiden Betriebsmodusperioden der Simulation.

Abbildung 4: Nachverfolgung der EGR-Konzentration im Ansaugkrümmer des AVL FIRE™ M Modells

Für die Benutzerfreundlichkeit bietet die Einbettung dieser Co-Simulationslösung in die gängige AVL Simulation Desktop (SDT) Benutzeroberfläche erhebliche Vorteile und eröffnet eine komfortable Möglichkeit, Strömungssimulationen von Gasen mit unterschiedlichen Graden räumlicher Diskretisierung zu kombinieren. Aus Sicht der Zweckmäßigkeit heraus ist es wiederum unerlässlich, die Dauer, während der die FIRE M Simulation aktiv ist, so kurz wie möglich zu halten.