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Zapf, Christian:
Auslegung, Simulation und Optimie-rung des Ladungswechsels eines Zweitakt-Doppelkolbenmotors für den Erdgasbetrieb : M22/17.
Bayreuth
,
2018
(Masterarbeit,
2018
, Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lehrstuhl Konstruktionslehre/CAD)
Abstract
Der Klimawandel — dieser Begriff ist in der heutigen Zeit allgegenwärtig und lenkt den Fokus der ingenieurswissenschaftlichen Entwicklungen immer mehr in Richtung Energieeinsparung, Ressourcenschonung und alternativer Antriebe. Im Kraftfahrzeugbau findet die Elektromobilität Raum, da fossile Rohstoffe schwinden, Kraftstoffpreise steigen und der Umwelt-schutz in den Vordergrund gestellt wird. Doch aufgrund der Problematik von geringen Reichweiten, teuren und schweren Akkus sowie langen Ladezeiten wird der Verbrennungs-motor in absehbarer Zeit weiterhin eine entscheidende Rolle als Antriebsquelle spielen. Auch in privaten Haushalten ist ein Einsatz von kleinen, effizienten Verbrennungsmotoren als Mini-Blockheizkraftwerk zur gleichzeitigen Wärme- und Stromgewinnung denkbar. Um zudem die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu begrenzen kann auf Biogas als Kraftstoff zurückgegriffen werden. Diesen langfristigen Betrachtungen stellt sich der Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth mit der Entwicklung eines Zweitakt-Doppelkolbenmotors für den Erdgasbetrieb. Dieser soll die Vorteile des Zweitaktmotors, insbesondere den einfachen Aufbau, die günstige Herstellung, einfache Wartung und hohe Leistungsabgabe, ausnutzen und gleichermaßen die nachteiligen Aspekte von hohem Kraftstoffverbrauch und schlechten Abgaswerten beseitigen. So wird ein Beitrag an der Entwicklung innovativer und effizienter Motorenkonzepte mit Blick auf relevante Anwendungsgebiete geleistet. Die Spülverluste können durch ein asymmetrisches Steuerdiagramm, bei welchem der Auslass vor dem Einlass schließt, gegenüber herkömmlichen Zweitaktmotoren reduziert werden. Somit sinken die Emissionen von unverbranntem Kraftstoff-Luft Gemisch im Abgas und ebenso die Nachteile des Zweitaktmotors gegenüber dem Viertaktprinzip. Diese Arbeit widmet sich der Optimierung des Ladungswechsels zur Reduzierung von Spülverlusten bei gleichzeitiger Leistungssteigerung durch eine erhöhte Verdichtung. Zuerst werden die Grundlagen von Hubkolbenmotoren, in Bezug auf den in der Entwicklung stehenden Doppelkolbenmotor, dargelegt. Es folgen Einführungen zu strömungsmechanischen Prozessen, um im Anschluss den Ladungswechsel in Strömungssimulationen darzustellen und zu verbessern. In Vorarbeiten sind bereits Simulationsmodelle des Doppelkolbenmotors mit ANSYS CFX und ANSYS Fluent erstellt worden, welche in dieser Arbeit aktualisiert und angewendet werden. In der numerischen Strömungssimulation mit ANSYS CFX wird zuerst das Ausgangsmodell des Motors betrachtet und die Simulation mit Messwerten des Motors am Prüfstand verifiziert. Anschließend erfolgt schrittweise die Optimierung der Geometrie von Brennraum, Einlass- und Auslassschlitzen im Hinblick auf die Einbringung von Kraftstoff sowie die Spülverluste von Frischgas durch den Abgastrakt. Anhand von berechneten Ladungswechselparametern werden die Optimierungsvarianten hinsichtlich ihres Nutzens verglichen. Im Anschluss wird das Modell der Verbrennungssimulation in ANSYS Fluent zugeführt und mit Messwerten des Motorenprüfstands abgeglichen. Durch den Vergleich mit realen Messwerten kann überprüft werden, inwiefern die Simulation ein gutes Abbild der realen Prozesse liefert. Diese Simulation gibt Aufschluss darüber, zu welchem Zeitpunkt und an welchem Ort eine Zündung des Kraftstoff-Luft Gemischs im Brennraum für eine gleichmäßige Verbrennung erfolgen mss. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick darauf gegeben, welche Aufgaben im Anschluss an diese Arbeit notwendig bleiben, um den Doppelkolbenmotor weiter zu optimieren.