Grundlagen Verbrennungsmotoren

Ausgehend von grundlegenden thermodynamischen Betrachtungen zur Energiewandlung in Kraftmaschinen sowie der Kinematik des Kurbeltriebs von Hubkolbenmotoren werden zunächst ideale Kreisprozesse für Verbrennungsmotoren beschrieben. Mit der Ableitung von Kenngrößen und Überlegungen zur Verlustteilung gelangt man schließlich mittel Kennwerten von diesen Idealprozessen zum realen Motorprozess. Mit Hilfe dieser Kenngrößen können die Hauptabmessungen von Motoren berechnet werden. Dies wird zunächst für Pkw-, Nfz- und Hochleistungs-Dieselmotoren für Schiffsantriebe und anschließend für einen Motor für Rennwagen der Formel 1 erläutert. Aufbauend auf Kohlenwasserstoffverbindungen werden dann konventionelle Brennstoffe vorgestellt, Das Kapitel schließt mit Überlegungen zu den in der Diskussion befindlichen als auch zu zukünftigen Brennstoffen für Benzin-, Gas- und Dieselmotoren.

Die Funktionsweisen von Pkw- Otto- und Groß-Gasmotoren werden erläutert, wobei detailliert auf die Grundlagen der ottomotorischen Verbrennung eingegangen wird. Nach einer Beschreibung der grundlegenden Zusammenhänge der dieselmotorischen Verbrennung werden Pkw- und Nfz- Dieselmotoren vorgestellt, wobei ausführlich und kritisch auf neue Trends wie das Downsizing und auf den Einsatz von Hybridantrieben und Range Extendern bei Pkw- Motoren eingegangen wird. Hier werden verschiedene Verfahren, deren Vorteile, aber auch deren Grenzen klar und anschaulich herausgearbeitet und erläutert. Anschließend werden wird die Funktionsweisen von Groß- Dieselmotoren, d.h. Vier- Takt -Schnell-, Vier-Takt- Mittelschnell- und Zwei- Takt- Langsamläufer beschrieben, wobei detailliert auf Applikationen eingegangen wird.

Die Funktionsweise von Einspritzsystemen für Benzin-, Diesel- und Großdieselmotoren wird ausführlich beschrieben. Anschließend an einen kurzen Abriss der historischen Entwicklung werden schwerpunktsmäßig neuere Entwicklung vorgestellt, wobei detailliert auf Common- Rail- Systeme eingegangen wird. Die Unterschiede zwischen verschiedenen Systemen für unterschiedliche Anwendungen werden deutlich und übersichtlich herausgearbeitet und an Hand von Bildern und Diagrammen anschaulich erläutert. Auf die Verbrauchs- und Schadstoffproblematik wird ausführlich eingegangen, wobei zukünftige Entwicklungen angedeutet werden. Abschließend werden Modelle für die hydraulische Symulation verschiedener Einspritzsysteme vorgestellt und erläutert.

Die Aufladung von Verbrennungsmotoren dient dazu, die Luftmenge, die für den Verbrennungsprozess im Motor zur Verfügung steht, zu steigern, um bei bestimmten Vorgaben für das Mengenverhältnis aus Kraftstoff und Luft („Luftverhältnis“) die Menge an zugeführtem Kraftstoff erhöhen zu können, um damit wiederum die Leistung des Motors anzuheben. Im Kreisprozess wirkt sich die Aufladung durch eine Arbeitsschleife mit größerer Arbeitsausbeute und höherem Spitzendruck aus. Die Ladungswechselschleife verschiebt sich auf Grund des notwendigen Ladedrucks (Abb. 5.1). Diese Ideen sind so alt wie die Idee des Verbrennungsmotors selbst und wurden von Daimler und Diesel früh untersucht. Der Ansatz der Ausnutzung der Abgasenergie wie beim Abgasturbolader geht zurück auf ein Patent des Schweizers Alfred Büchi aus dem Jahr 1905. Heute spielen Aufladesysteme nicht nur zur Leistungssteigerung eine Rolle, in der Anwendung als Komponente zur Realisierung des Downsizing wird statt einer Leistungssteigerung eine Verkleinerung der Motorbaugröße (Hubvolumen) bei gleicher Leistung realisiert. Auf Grund der zentralen Bedeutung des Ladungswechsels moderner Motoren werden Aufladesysteme zur Regelung des Luft- und Abgaspfads eingesetzt, z. B. zur Unterstützung der Abgasrückführung und beim Thermomanagement der Abgasnachbehandlung. Bei Nutzfahrzeugmotoren unterstützen Turbolader die Funktion der Motorbremse.

Kapitel 6.1 fasst die Grundzusammenhänge von Gleichgewichts-Chemie und Reaktionskinetik als Voraussetzung für die Modellierung und Simulation von Verbrennungsvorgängen zusammen. Dies beinhaltet die Sonderfälle von partiellem Gleichgewicht und Quasi-Stationarität, die die Berechnung von motorischen Verbrennungsvorgängen und Schadstoffbildung vereinfachen. In Kapitel 6.2 wird dargestellt, wie diese Grundlagen auf die Oxidation realer Kohlenwasserstoffe angewendet werden. Die übergeordneten Reaktionspfade sowie die für die dieselmotorische Verbrennung wichtigen Zündprozesse werden erläutert. Es werden sowohl stark vereinfachende Einschritt-Reaktionsmechanismen vorgestellt, die die Verbrennung in nur einem Reaktionsschritt von Brennstoff und Sauerstoff zu CO₂ und H₂O beschreiben, als auch detaillierte Mehrschritt-Reaktionsmechanismen, die die komplexe Chemie der motorischen Verbrennung mit höherer Genauigkeit abbilden. Schließlich wird darauf eingegangen, wie reale Kraftstoffe, die aus Hunderten verschiedener Kohlenwasserstoffe bestehen, durch Ersatzgemische bei noch beherrschbarem Rechenaufwand möglichst genau angenähert werden können.

Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C- und H-Atomen bestehenden, so genannten C_xH_y-Brennstoffes enthält das Abgas die Komponenten Sauerstoff (O₂), Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) undWasserdampf (H₂O). Bei der realen Verbrennung treten zusätzlich zu diesen Bestandteilen auch die Produkte der unvollständiger Verbrennung Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie die unerwünschten Nebenprodukte Stickoxide (NO_x) und Partikel auf. Im Gegensatz zu den durch den Gesetzgeber limitierten Abgaskomponenten wird das CO₂ nicht als Schadstoff angesehen, da es keine direkte Gefahr für die Gesundheit des Menschen darstellt und als Endprodukt jeder vollständigen Oxidation einesKohlenwasserstoffs auftritt. Im Folgenden werden die Entstehungsmechanismen der oben genannten Schadstoffe beschrieben sowie inner- und nachmotorische Methoden zur Reduktion dieser Stoffe dargestellt.

Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtiger und aufwendiger Teil der Motoren- und Fahrzeugentwicklung.

Die Motivation, Abgas zu messen, kann in drei Hauptbereiche unterteilt werden. Einerseits ist von den Fahrzeug und Motorenherstellern die Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben entsprechend der geltenden Emissionslimits nachzuweisen. Andererseits bietet die Abgasanalyse wesentlich Informationen zur Entwicklung und Optimierung von Brennverfahren und Abgasnachbehandlungssystemen. Zusätlich ist im Sinne einer nachhaltigen und verantwortungsvollen Verwendung von Verbrennungsmotoren sicherzustellen, dass umwelt- und klimarelevante Schadstoffe minimiert werden. In diesem Kapitel wird ein Überblick über die gesetzlich relevanten als auch im Motorenentwicklungsprozess eingesetzten Abgasmess- und Analyseverfahren sowohl für gas- als auch partikelförmige Emittenten gegeben.

Der Verbrennungsmotor bezieht seine Energie aus der Umsetzung der chemischen Energie in Wärme. Diesen Vorgang zu verstehen, so effizient und schadstoffarm wie möglich zu gestalten ist das Ziel der Verbrennungsdiagnostik. Das Kapitel beschreibt die Indiziermessung nebst ihren Bestandteilen Sensoren, Signalaufbereitung, Datenerfassung und Steuerung des gesamten Vorgangs. Dabei werden auch Hinweise zur Vermeidung von Messfehlern gegeben. Eine Erläuterung zur Berechnung der Wärmefreisetzung rundet diesen Teil ab.

Als Ergänzung zur Messung des Verbrennungsdruckes schließt sich ein Überblick über die optischen Messverfahren in der Verbrennungsanalyse von Verbrennungsmotoren an. Auch hier wird Wert auf grundlegende Zusammenhänge, deren Nutzung in der Anwendung der Messtechnik und der Interpretation der Ergebnisse gelegt.

Zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses von Verbrennungsmotoren existieren eine Reihe von Berechnungsmöglichkeiten. Grundsätzlich wird unter dem Begriff Analyse die Beschreibung eines existierenden Systems bezeichnet. Dabei wird durch Beobachtung des Systems auf die Gesetzmäßigkeiten seiner Abläufe geschlossen und diese unter Einbeziehung der jeweils wesentlichen Parameter in mathematische Rechenmodelle überführt. Sobald die Ergebnisse der Rechenmodelle ausreichend mittels Experimenten abgesichert sind, können diese auch zur Simulation herangezogen werden. Unter Simulation wird in diesem Fall Vorhersage des Verhaltens ähnlicher Systeme verstanden.

Für die Berechnung von motorischen Verbrennungsvorgängen kommen heute verschiedene Modellkategorien zum Einsatz, die sich z. T. sehr stark in ihrem Detaillierungsgrad aber auch in ihren Rechenzeiterfordernissen unterscheiden. 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, indem auf eine explizite Berechnung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes verzichtet wird. Dadurch kann die Rechenzeit erheblich reduziert werden. Im folgenden werden die wichtigsten phänomenlogischen Verbrennungsmodelle vorgestellt, getrennt für Dieselmotoren, Ottomotoren und Groß-Gasmotoren.

Bei der Auslegung und Optimierung von Abgasnachbehandlungssystemen, üblicherweise bestehend aus Katalysatoren, Partikelfiltern und gegebenenfalls Dosiereinheiten, 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. Bei der Auslegung und Optimierung einzelner Abgasnachbehandlungskomponenten, wie beispielsweise hinsichtlich Anströmung, Strömungsgleichverteilung, Zudosierung von Reduktionsmitteln, thermischer Bauteilbelastung, etc. kommen bereits heute detaillierte 3D-Simulationsverfahren zur Anwendung. Darüber hinaus bilden echtzeitfähige Modelle für die Abgasnachbehandlung im Rahmen der Funktionsentwicklung die Basis für die Entwicklung und Bedatung von Steuergerätealgorithmen.

Im vorliegenden Kapitel werden die gängigen Modellansätze und Grundgleichungen für die Simulation von Abgasnachbehandlungskomponenten und -systemen vorgestellt und die damit erzielbaren Ergebnisse anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele diskutiert.

Die mechatronischen Systeme, wie sie moderne Fahrzeugantriebsstränge und insbesondere Antriebsaggregate darstellen, zeichnen sich neben hoher Flexibilität und Leistungsfähigkeit auch durch zunehmende Komplexität in der Bedatung und Optimierung aus. An Hand von konkreten Aufgaben zur Optimierung von Diesel- und Ottomotoren sowie Hybridaggregaten wird in diesem Kapitel gezeigt, wie sich theoretische Überlegungen zur Modellbildung sowie eine zunächst abstrakte Beschreibung der Prozessführung – beispielsweise beim Einsatz von DoE-Methoden oder bei der Funktionsbedatung eines virtuellen Sensors – in die Anwendungsumgebung einer Motorenentwicklung überführen lassen und dort eine Voraussetzung für effiziente Abläufe und eine sichere Zielerreichung darstellen. Für die Zukunft ist ein weiterer Entwicklungsschub durch Umweltvernetzung zu erwarten. Daraus resultieren variable Szenarien, die zusätzlich in die Optimierungsfunktionen mit eingebunden werden müssen.

Derzeit laufen in allen namhaften Häusern von Automobilherstellern Programme, solche Methoden in der industriellen Praxis auszurollen, um die zunehmende Komplexität der Entwicklungsaufgaben weiterhin zu beherrschen.

Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die 3Dströmungsmechanische oder CFD-Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics), da sie prinzipiell die detaillierteste physikalisch-chemische Beschreibung der relevanten Prozesse ermöglicht. Sie ist aus der modernenMotorenentwicklung nichtmehr wegzudenken, und unter dem Aspekt stetig wachsender Rechnerkapazitäten und -leistungen wird ihre Bedeutung auch weiterhin anwachsen. Mit CFD werden heute die verschiedensten Fragestellungen untersucht, vom Gaswechsel bis hin zur Kühlmittelströmung. Im Rahmen des vorliegenden Buches werden wir uns auf die Themenkomplexe Gaswechsel, Gemischbildung, Verbrennung und Aufladung beschränken.

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 mit den heute für motorische Applikationen verfügbaren Codes sinnvolle Resultate nur mit großem Aufwand erzeugen lassen. Zunächst soll nachfolgend das Standard-Strahlmodell entwickelt werden, die dafür erforderliche Modellierung der Ein-Tropfenprozesse und die stochastische Modellierung eines Partikelensembles in Lagrange’scher Formulierung. Wie schon erwähnt bringt dieser Ansatz viele Probleme und Schwierigkeiten mit sich, die im Detail diskutiert werden sollen. Schließlich sollen Modellierungsansätze in Euler’scher Formulierung vorgestellt werden, die hier Abhilfe schaffen könnten.

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-Transport-gleichungen; 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.

Es sei darauf hingewiesen, dass wir uns hier ausschließlich mit motorischer Verbrennung beschäftigen, d. h. mit instationären, turbulenten Verbrennungsprozessen in komplexen, bewegten Geometrien, in Folge oder in Begleitung von komplexen Gemischbildungsvorgängen. Von daher wird schnell klar, dass viele Verbrennungsmodellierungen, die für wesentlich einfachere Randbedingungen entwickelt wurden, nicht auf Motoren übertragbar sind. Ein weiteres großes Problem für die nachhaltige Etablierung allgemein bewährter Modellierungsfortschritte stellt auch nach wie vor das Fehlen eines zuverlässigen Strahlmodells dar, da dadurch eine Bewertung der Qualität eines Verbrennungsmodells schwierig wird.

Turbomaschinen werden auf Grund der fehlenden Möglichkeit zu geschlossen analytischen Verfahren auch heute noch in großem Maße basierend auf heuristischen Ansätzen, d. h. basierend auf Erfahrungswerten, ausgelegt. Der ursächliche Grund dafür liegt in der Komplexität der Strömung. Insbesondere in den Laufrädern treten diverse Phänomene auf (Abb. 17.1). Durch die prinzipbedingte Funktionsweise, bei der beispielsweise am Verdichter der Druck durch Beschleunigung und Umlenkung in rotierenden Rädern erfolgt, wird die Strömung durch folgende Effekte dominiert bzw. gestört:

Die Entwicklung von Turbinen und Verdichtern entsprechend stationärer Stromfadentheorie, die umVerlustmodelle ergänzt wird, gibt hier nach wie vor gute Hinweise.Werden aber Optimierungen in sehr engen Grenzen notwendig, kann auf eine dreidimensionale Strömungssimulation (CFD) bei Turboladern nicht verzichtet werden. Die Geometrie der Turbomaschine wird dabei in verschiedene Teilgebiete aufgeteilt (Abb. 17.2). Im Vergleich zum eigentlichen Turbolader nehmen dabei räumlich die Eintritts- und Austrittsstrecken einen großen Raum ein. Dadurch wird sichergestellt, dass einerseits Randbedingungen vergleichbar mit Versuchsergebnissen angesetzt werden können, andererseits helfen sie, eine stabile numerische Lösung zu erzielen. Die Besonderheit bei Turbomaschinen stellen nur die verschiedenen Bezugssysteme zwischen rotierenden und nicht-rotierenden Bauteilen dar. Die Strömung imLaufrad kann nur im rotierenden System realistisch simuliert werden. Während das Gehäuse stationär mit dem Motor verbunden ist und sehr gut in einem absoluten, im Raum feststehenden, kartesischen Koordinatensystem beschrieben werden kann, eignet sich für das rotierende Laufrad ein mitrotierendes, relatives Koordinatensystem. Die Übergabe von Daten zwischen den Systemen kann durch verschiedene Ansätze erfolgen.

Die zukünftigen CO₂ Szenarien stellen weltweit die wesentlichste Entwicklungsherausforderung für PKW-Antriebe dar. Während in den letzten Jahren in Europa die Reduzierung des Flottenmittelwerts stark durch die Erhöhung des Dieselanteils realisiert wurde, erfolgt jetzt durch neue Benzindirekteinspritztechnologien in Verbindung mit verbessertem Energiemanagement und Start/Stopp sowie Hybridantrieben ein echter Stufensprung bei den Ottomotoren. Eine Betrachtung des Motors allein zur Erzielung der Verbrauchsziele ist nicht mehr ausreichend, es muss der gesamte Antriebsstrang im Zusammenspiel mit dem Fahrzeug optimiert werden. Anhand von ausgewählten Beispielen wird die Konfiguration von Antriebssträngen beschrieben. Für die einzelnen Phasen im Motorentwicklungsprozess werden beispielhaft die Anwendungsbereiche unterschiedlicher Simulationsansätze vorgestellt. Anhand ausgewählter Fallbeispiele werden die Einsatzmöglichkeiten heute verfügbarer Berechnungswerkzeuge sowie der erzielbare Erkenntnisgewinn dargestellt. Des Weiteren wird auf die Anforderungen an die Simulation eingegangen, die sich aus der zunehmenden Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen ergeben.

Vor dem Hintergrund des außerordentlichen bisherigen Erfolges des Verbrennungsmotors sind die weitere Entwicklung, die dazu bestehenden Möglichkeiten und die zukünftige Rolle des Verbrennungsmotors von großem Interesse. In besonderem Ausmaß ist diese Frage für die Mobilität relevant, sie gilt aber auch für die Anwendung in stationären Anlagen und Arbeitsgeräten. Die Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren befindet sich dabei im Spannungsfeld unterschiedlicher treibender Faktoren. Höchste Ansprüche werden vor allem bei der Reduzierung des Schadstoffausstoßes und des Kraftstoffverbrauches bzw. der CO₂-Emission gestellt. Zur Erfüllung dieser Zielsetzung werden neben einer kontinuierlichen Weiterentwicklung bestehender Konzepte auch neue Ansätze verfolgt. Bei der Entwicklung neuer Konzepte kann es durchaus hilfreich sein, auf bereits in der Vergangenheit untersuchte Ansätze vor dem Hintergrund heutiger Möglichkeiten der Simulation, der elektronischen Regelung, aktueller Werkstoffe etc. zu blicken. Für die Bewertung neuer Ansätze ist – natürlich neben den konstruktiven Kriterien – vor allem eine thermodynamische Betrachtung zielführend. Diese Betrachtungen zeigen auch, dass das Entwicklungspotenzial des Verbrennungsmotors, der bereits heute die effizienteste Wärmekraftmaschine ist, noch lange nicht ausgeschöpft ist.