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2009 | Book

Einleitung Read chapter Read first chapter

Grundlagen Verbrennungsmotoren

Simulation der Gemischbildung, Verbrennung, Schadstoffbildung und Aufladung

Editors: Günter P. Merker, Christian Schwarz

Publisher: Vieweg+Teubner

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Das Buch spannt einen Bogen von einfachen thermodynamischen Grundlagen des Verbrennungsmotors hin zu komplexen Modellansätzen zur Beschreibung der Gemischbildung, Zündung, Schadstoffbildung, Aufladung und Verbrennung unter Beachtung der Motorperipherie von Otto- und Dieselmotoren. Der heute stark diskutierten Frage der Schadstoffbildung wird durch neue Abschnitte über die Modellbildung für Abgaskatalysatoren und Dieselpartikelfilter Rechnung getragen. Damit liegt der inhaltliche Schwerpunkt des Buches auf den Simulationsmodellen und deren strömungstechnischen, thermodynamischen und verbrennungschemischen Grundlagen, wie sie für die Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren unentbehrlich sind.

Table of Contents

Frontmatter

Thermodynamische und chemische Grundlagen

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Eine der zentralen Aufgaben der Ingenieurwissenschaften ist die möglichst exakte Beschreibung technischer Prozesse mit dem Ziel, das dynamische Verhalten komplexer Systeme zu verstehen, Gesetzmäßigkeiten zu erkennen und damit zuverlässige Aussagen über das künftige Verhalten dieser Systeme zu ermöglichen. Im Hinblick auf Verbrennungsmotoren als Antriebssysteme für Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge, für Dauer- und Notstromaggregate, sowie für Klima- und Kälteanlagen kommt dabei der Gesamtprozessanalyse bzw. -simulation eine besondere Bedeutung zu.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
2. Der Hubkolbenmotor
Zusammenfassung
Bei der Energiewandlung kann man im Sinne einer hierarchischen Ordnung zwischen allgemeiner, thermischer und motorischer Energiewandlung unterscheiden.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
3. Verbrennungsdiagnostik
Zusammenfassung
Die Druckindizierung ist so alt wie die Verbrennungsmotorenentwicklung selbst. Dies bestätigt Abb. 3-1, die einen von August Nikolaus Otto auf Basis mechanischer Indikatoren aufgenommenen Zylinderdruckverlauf aus dem Jahre 1876 zeigt. Dieser Zeitpunkt wird auch häufig als Ausgangspunkt der geschichtlichen Entwicklung der Druckindizierung bezeichnet, Hohenberg (1994). Nach über 125 Jahren Entwicklung hat sich die Indizierung heute flächendeckend durchgesetzt und kommt als Standardmesstechnik an den meisten Motorenprüfständen zum Einsatz, Frommelt et al. (2008).
Günter P. Merker, Christian Schwarz
4. Motorische Verbrennung
Zusammenfassung
Brennstoffe, welche für die diesel- und ottomotorische Verbrennung zur Anwendung kommen, stellen im Allgemeinen Gemische aus mehreren hundert verschiedenen Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Gruppen ( C x H y [O Z ] ) dar. Diese Komponenten besitzen aufgrund von deutlich unterschiedlichen Molekülgrößen und -strukturen folglich auch stark unterschiedliche Eigenschaften. Darüber hinaus divergiert die Zusammensetzung und damit auch das Verhalten von Benzin, Diesel und eventuellen alternativen Brennstoffen, so dass eine gesonderte Betrachtung notwendig ist. Die Grenzwerte der wichtigsten Stoffeigenschaften von motorischen Brennstoffen werden in Normen festgehalten (DIN, EN etc.) um eine gleichbleibende Qualität und Zusammensetzung sowie einen sicheren Motorbetrieb zu gewährleisten, siehe Tab. 4.1.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
5. Reaktionskinetik
Zusammenfassung
Eine chemische Reaktion zwischen den Edukten A a , A b , usw., die die Produkte A c , A d , usw. bildet, kann in der folgenden Form beschrieben werden
$$ v_a A_a + v_b A_b + \ldots \to v_c A_c + v_d A_d + \ldots. $$
(5.1)
Günter P. Merker, Christian Schwarz
6. Schadstoffbildung
Zusammenfassung
Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C- und H-Atomen bestehenden, so genannten CxHy -Brennstoffes enthält das Abgas die Komponenten Sauerstoff (O2), Stickstoff ( N2 ), Kohlendioxid (CO2 ) und Wasserdampf ( H2O ).
Günter P. Merker, Christian Schwarz

Gesamtprozess-Simulation

Frontmatter
7. Reale Arbeitsprozessrechnung
Zusammenfassung
Bei der Füll- und Entleermethode, einer nulldimensionalen Methode, bei der die Prozessgrößen nur von der Zeit, aber nicht vom Ort abhängen, werden die einzelnen Teilsysteme des Motors, z. B.:
  • Brennraum,
  • Ansaug- und Abgasleitungen,
  • Ventile und Klappen, sowie das
  • Aufladesystem
Günter P. Merker, Christian Schwarz
8. Aufladung von Verbrennungsmotoren
Zusammenfassung
Die Aufladung war ursprünglich ausschließlich als Verfahren zur Leistungssteigerung gedacht. Sie nimmt aber zunehmend einen immer größeren Stellenwert ein, wobei Verbrauchs- und auch Emissionsfragen immer stärker in den Vordergrund treten. Für eine ausführliche Darstellung wird auf Zinner (1985) und Pischinger et al. (2002) verwiesen. Eine interessante Darstellung der geschichtlichen Entwicklung der Aufladung hat Jenni (1993) gegeben.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
9. Abgasnachbehandlungssysteme
Zusammenfassung
Bei der Auslegung und Optimierung von Abgasnachbehandlungssystemen gewinnt der Einsatz von Simulationsverfahren zunehmend an Bedeutung. 1D-Simulationsmodelle ermöglichen bereits in der frühen Konzeptphase die Untersuchung und Bewertung unterschiedlicher Gesamtsystemkonfigurationen in ihrer Auswirkung auf das zu erwartende Konvertierungsverhalten der späteren Hardware und liefern damit die Grundlage für Systementscheidungen. Darüber hinaus wird bei einer Vorauslegung einzelner Abgasnachbehandlungskomponenten hinsichtlich Größe, Position, Beschichtung und Einbau detaillierte 3D-Simulation angewandt. Weiterhin bilden effiziente Modelle für Abgasnachbehandlung in Verbindung mit Realtime-Motormodellen im Rahmen der Funktionsentwicklung die Basis für die Entwicklung und Bedatung von Steuergerätealgorithmen. Die Bandbreite an Fragestellungen an die Berechnung führt typischerweise zum Einsatz maßgeschneiderter Modelle für die jeweiligen Anwendungen.
Günter P. Merker, Christian Schwarz

Simulation der Verbrennung und Aufladung

Frontmatter
10. Gesamtprozessanalyse
Zusammenfassung
Als Gesamtprozessanalyse versteht man die Simulation gesamtheitlicher Motorkonfigurationen unter stationären und transienten Betriebsbedingungen. Die Modellierung setzt dabei als Basis auf den Motorgrundbausteinen, wie z. B. Zylinder, Behälter, Rohre, Blenden bzw. Drosseln und Aufladeaggregaten, die in Kap. 7 beschrieben sind, auf. Da die Arbeitsprozessrechnung im Zylinder nur indizierte Größen liefert, müssen geeignete Ansätze für die Reibung des Motors in das Gesamtsimulationsmodell integriert werden. Zusätzlich muss das Verhalten des Öl- und Kühlkreislaufes berechnet werden, um bei thermisch instationären Vorgängen eine Berechnung des Reibmomentes möglich zu machen, da der Einfluss von Öl- und Kühlwassertemperaturen auf das Reibmoment des Motors beträchtlich ist. Hinzu kommen noch Modelle, mit denen eine Simulation der an den Verbrennungsmotor angeschlossenen Verbraucher möglich ist, um möglichst exakt die Randbedingungen für die Verbrennungskraftmaschine beschreiben zu können.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
11. Phänomenologische Verbrennungsmodelle
Zusammenfassung
Für die Berechnung von motorischen Verbrennungsvorgängen kommen heute verschiedene Modellkategorien zum Einsatz, die sich zum Teil sehr stark in ihrem Detaillierungsgrad aber auch in ihren Rechenzeiterfordernissen unterscheiden, siehe Stiesch (2003). Als phänomenologische Modelle werden dabei üblicherweise die Berechnungsmodelle bezeichnet, die die Verbrennung und Schadstoffbildung in Abhängigkeit übergeordneter physikalischer und chemischer Phänomene wie Strahlausbreitung, Gemischbildung, Zündung, Reaktionskinetik usw. vorausberechnen. Weil hierfür eine räumliche Aufteilung des Brennraums in Zonen verschiedener Temperatur und Zusammensetzung erforderlich ist, werden die Modelle auch als quasi-dimensionale Modelle bezeichnet. Die phänomenologischen (bzw. quasi-dimensionalen) Modelle grenzen sich auf der einen Seite von den nulldimensionalen (oder thermodynamischen) Modellen ab, die den Brennraum zu jedem Zeitpunkt vereinfachend als ideal durchmischt annehmen und die auf empirischen Ansätzen für die Brennrate beruhen. Auf der anderen Seite unterscheiden sich die phänomenologischen Verbrennungsmodelle von den CFD-Codes (CFD = computational fluid dynamics, vgl. Kap. 12 ff.), indem auf eine explizite Lösung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes bewusst verzichtet wird, siehe Abb. 11-1. Dadurch kann die Rechenzeit erheblich reduziert werden. Für eine Motorumdrehung liegt sie bei phänomenologischen Modellen im Bereich von Sekunden, bei CFD-Codes dagegen im Bereich von Stunden, siehe Abb. 11-2.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
12. Dreidimensionale Strömungsfelder
Zusammenfassung
Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die strömungsmechanische oder CFD-Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics), da sie die detaillierteste physikalische Beschreibung der relevanten Prozesse ermöglicht. Verschiedenste Prozesse im motorischen Umfeld werden betrachtet, unter anderem Ladungswechsel, Zylinderinnenströmung, Abgasrückführung, Ausströmprozesse, Nachreaktionen im Auslasstrakt, Katalysatordurchströmung, Turbinen- und Verdichterströmung im Turbolader, Düseninnenströmung oder auch Kühlkreislaufdurchströmung.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
13. Simulation von Einspritzprozessen
Zusammenfassung
Dieses Kapitel ist der Simulation von Einspritzprozessen gewidmet. Von theoretischer Seite betrachtet stellt sich die Thematik viel komplexer dar, als es die Existenz leicht handhabbarer „Strahlmodule“ in allen gängigen CFD-Codes zunächst vermuten ließe. Wenn man sich aber die meisten der damit erzielten Ergebnisse kritisch betrachtet, wird man sich der ganzen Schwierigkeiten der Thematik schnell bewusst. Nach wie vor gilt, dass sich in den heute für motorische Applikationen marktverfügbaren Codes sinnvolle Resultate (wenn überhaupt) nur mit größtem Aufwand erzeugen lassen.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
14. Simulation der Verbrennung
Zusammenfassung
Dieser Abschnitt ist der strömungsmechanischen Simulation der turbulenten Verbrennung für Diesel- wie Ottomotoren gewidmet. Im Kern geht es dabei „nur“ um die turbulente Mittelung des Quellterms der Spezies-Transportgleichungen (12.18); allerdings ist unmittelbar einsichtig, dass dies ein schwieriges Unterfangen darstellt, da Reaktionskinetik typischerweise exponentiell von der Temperatur abhängt. Der notwendige Modellierungsaufwand dafür ist nicht unerheblich. Mit der reinen Applikation kommerziell standardisierter Modellierungen kommt man (leider) immer noch nicht sehr weit.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
15. 3-D-Simulation der Aufladung
Zusammenfassung
In vorangegangen Kapiteln wurden bereits die Grundlagen für die Auslegung und Dimensionierung von Turbolader-Komponenten für die Aufladung von Verbrennungsmotoren dargestellt. Mit Hilfe der diskutierten Verfahren können die grundlegenden Dimensionen und Geometrieparameter wie Durchmesser, Querschnittsverläufe, Radien, Formen aber auch andere Kenngrößen wie beispielsweise Nenndrehzahlen festgelegt werden, um sicherzustellen, dass die betreffende Strömungsmaschine die grundsätzlichen Anforderungen an sie erfüllt. Die diskutierten Verfahren basieren allerdings auf strömungsmechanischen und thermodynamischen Vereinfachungen, empirischen Ansätzen oder teilweise auch auf Diagrammen, die die grundlegenden Zusammenhänge visuell darstellen und grafische Festlegungen erlauben. So gehen beispielsweise viele der zugrundegelegten Gleichungen unter anderem davon aus, dass die stationäre Stromfadentheorie gilt, d. h. dass die Strömung als rein eindimensional betrachtet werden kann. Zudem wird meist angenommen, dass die Strömung als viskositätsfrei betrachtet werden kann. In erster Näherung sind diese Annahmen sicher auch gerechtfertigt. Strömungen in Strömungsmaschinen sind jedoch im Allgemeinen sehr viel komplexer als die obigen Prämissen dies nahelegen. Insbesondere führen die teilweise stark gekrümmten Oberflächen (vgl. Abb. 15-1) in Verbindung mit der Rotation des Laufrades zu dreidimensionalen, teilweise instationären Strömungsvorgängen, die aufgrund der typischerweise hohen Reynoldszahlen turbulent und stark wirbelbehaftet sind. Die endgültige Festlegung der Bauteilgeometrie sollte daher schon frühzeitig vor der endgültigen Fertigung mit Hilfe der dreidimensionalen Strömungssimulation verifiziert und bestätigt werden. Auch sind die Wirkungsgrade von Strömungsmaschinen mittlerweile so hoch, dass die weitere Optimierung oder auch die Analyse von Verschlechterungen im Entwicklungsprozess ohne tiefer gehende Einblicke in die beteiligten detaillierten Strömungsvorgänge nicht mehr möglich ist.
Günter P. Merker, Christian Schwarz
Backmatter
Metadata
Title
Grundlagen Verbrennungsmotoren
Editors
Günter P. Merker
Christian Schwarz
Copyright Year
2009
Publisher
Vieweg+Teubner
Electronic ISBN
978-3-8348-9344-4
Print ISBN
978-3-8348-0740-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8348-9344-4

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