Three-dimensional numerical simulation of the exhaust stroke of a single-cylinder four-stroke ICE

摘要

In this paper an extensive CFD simulation of the exhaust stroke of a single-cylinder fourstroke ICE, including the entire exhaust manifold is described. Guidelines for the implementation of the full threedimensional model of the discussed process are included. The simulation involves the time-dependent flow of exhaust gases through the exhaust valve and the flow dynamics within the 2.2-m-long, straight exhaust pipe during the period when the valve is closed. Also the intake port with the intake valve is being coupled during the valves’ overlap period. The model geometry corresponds exactly to the actual engine geometry. The movement of the mesh follows the measured kinematics of the piston and the valves. The data obtained from the experimental environment was used for both the initialization and the validation of the computations. It was found that the phenomena affecting the dynamics of the exhaust flow are extremely three-dimensional and should be treated as such. In particular, the flow through the exhaust valve and the heat transfer along the exhaust pipe were influenced greatly by the effects of cold, fresh air breaking into the exhaust pipe in the period after the EVC. The presented study is the basis for future three-dimensional investigations of the entropy-generation rate along the exhaust system, including the exhaust valve. Dieser Artikel behandelt eine umfassende CFD Simulation vom Ausschubhub eines Einzylinder-Viertaktkolbenmotors. Es werden die Richtlinien für die Ausführung eines vollkommen dreidimensionalen Models des behandelten Verfahrens eingeführt. Die Simulation berücksichtigt die zeitabhängige Strömung der Abgase durch das Auslassventil und die Strömungsdynamik innerhalb des geraden 2.2 m langen Auspuffrohres in der Zeitspanne, wenn das Auslassventil geschlossen ist. Es werden auch das Ansaugrohr und Ansaugventil im Modell gekoppelt, wenn sich die Öffnungszeiten der beiden Ventile überlagern. Die Modellgeometrie entspricht genau der Ausführungsgeometrie des betrachtenden Kolbenmotors. Die Gitterbewegung wird der gemessenen Kolbenkinematik angepasst. Die messtechnisch erhaltenden Ergebnisse werden sowohl für die Initialisierung als auch für die Validierung der Berechnungen verwendet. Es wird bestätigt, dass die Phänomene, die die Strömungsdynamik bestimmen, extrem dreidimensionale Natur aufweisen und dementsprechend auch als solche behandelt werden müssen. Insbesondere wird die Strömung durch das Auslassventil und der Rohrleitungswärmeübergang durch die Effekte des Kaltfrischlufteinbruchs in das Auspuffrohr nach Schließung des Auslassventils beeinflusst. Die behandelte Studie dient als Grundlage für künftige dreidimensionale Untersuchungen des Entropiegenerationsverhältnisses in Auspuffrohren unter Berücksichtigung des Auslassventils.