Zusammenfassung kurz version - FSMB

Motorthermodynamik & Brennverfahren SS15
Zusammenfassung
fast alle Abbildung stammen aus der Vorlesung Motorthermodynamik & Brennverfahren des Lehrstuhl für
Verbrennungskraftmaschinen der TU Muenchen
Kapitel 1: Einleitung
Teilsysteme des Verbrennungsmotors
● Ansaugsystem
● Schmierölsystem
● Kühlsystem
● Kraftstoffsystem
● Brennraum
● Abgassystem
● Einspritzsystem
Zielkonflikte bei Verbrennungsmotoren
- für optimalen Wirkungsgrad: Verbrennungsschwerpunkt ca. 8° KW nach OT
- dabei aber viel NOx
- zu frühe Zündung/Einspritzung: schnelle Umsetzung und guter WG aber NOx wegen hoher
Verbrennungstemp. und Druck
● particulate Matter (PM)-NOx-Trade-Off: Ruß/Partikel vs. Stickoxide
- bei Verschleppter Verbrennung (niedrige Last oder AGR): wenig NOx,
aber schlechter WG
- bei zu viel AGR wird Verbrennung stark behindert => Partikel Ruß
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apitel 2: Übersicht Brennverfahren
Betrachtungsweise Motor als Blackbox:
Input: Frischgas, Kraftstoff
Output: Wärmeverluste, Abgase, Leistung
Einteilung der Brennverfahren
Einbringung des Kraftstoff
● Saugrohreinspritzung (PFI)
- Einspritzung des Kraftstoffs während des Ansaugtaktes in die einströmende Ladung im Saugrohr
- nur homogene Gemische möglich
● Direkteinspritzung (DI)
- Einspritzung des Kraftstoffs in die komprimierte heiße Ladung nahe dem ZOT
oder
- Einspritzung bereits während des Ansaugtaktes (Homogenbetrieb)
- Verschiedene Einspritzkonzepte & Betriebsarten möglich
● Vergasertechnologie
- durch strenge Abgasnormen verdrängt
- Nischenanwendungen (geringe Kosten)
Einstufung und Vergleich der Brennverfahren
● Diesel: - schnelle Umsetzung, hoher Druckgradient, hohe Geräuschemission
- größere Verdichtung => mehr Druck => stärker ausgelegt
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Ottomotor
● homogenes Gemisch wird bis nahe Zündgrenze verdichtet
● Zündung durch externen Energieeintrag ( Zündkerze)
● Zündverzug delta_phi bis das Volumen der Flamme groß genug ist, um merkliche Wärmefreisetzung zu
erzeugen
● vorgemischte Flamme
Anomalien der ottomotorischen Verbrennung
● Zündwinkelverstellung Richtung spät kann Abhilfe schaffen
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Ottomotor mit Saugrohreinspritzung/äußerer Gemischbildung (PFI)
● Kraftstoff direkt vor jedem Zylinder(Multipoint) in Frischluft eingebracht oder ein zentraler
Injektor(Singlepoint)
● mehr Wandfilmeffekte bei Singlepoint ( längere Wege) => zu magerer Kaltstart und bei dynamischem
Betrieb
● nur homogenes Gemisch
● λ = 1, wegen 3-Wege-Kat
● Kraftstoffeinsparmöglichkeiten begrenzt
● Oxidation des homogenen Gemischs durch vorgemischte Flamme
Ottomotor mit innerer Gemischbildung (DI)
● niedrige Last: Ladung kann geschichtet eingebracht
werden => λ > 1 ; Entdrosselung und
Kraftstoffeinsparung
● hohe Last: Homogenbetrieb durch frühe Einspritzung
=> mehr Leistung; λ =1
Homogenbetrieb
● frühe Kraftstoffeinspritzung
● viel Zeit für Gemischaufbereitung
● global λ = 1
● Quantitätsregelung
Schicht-/Heterogentrieb
● an Zündkerze liegt lokal λ=1 vor
● restlicher Brennraum λ > 1
● Verbrennung läuft insgesamt mager ab => NOx -Speicherkat. benötigt
● Qualitätsregelung
Wechsel von Schichtladungs- auf Homogenbetrieb weil hohe Lastbereiche mit
Schichtladung nicht möglich
Strahlführung bei Direkteinspritzung
wandgeführt
● seitliche Injektorlage
● Kraftstoff wird durch Kolbenmulde zur Zündkerze umgelenkt
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● kurze Gemischbildungszeit => bei hohen Lasten bleiben fette Zonen, welche Rußbildung begünstigen
● Kraftstoffanlagerung am Kolben führt zu HC Emissionen
Luftgeführt
● seitliche Injektorlage
● Kraftstoff wird durch gezielte Luftbewegung zur Zündkerze gebracht (theo. kein Kontakt mit Kolbenwand)
● Brennverfahren instabiler, da Luftbewegung nicht vollkommen reproduzierbar
● weniger HC Emission als bei wandgeführtem Verfahren
strahlgeführt
● zentrale Injektorlage
● Zündkerze direkt neben Injektor
● sehr kurze Gemischaufbereitungszeit
● größtes Kraftstoffeinsparpotenzial
Ottomotor mit Gasbetrieb
● gemischansaugendes Verfahren
● Zündung über externen Energieeintrag einer Zündkerze
● analog zu Ottomotor mit Saugrohreinspritzung
Wasserstoffmotor
● Grundlage für Verbrennung ist die Knallgasreaktion
● meist Ottoprinzip (Diesel auch möglich)
● Verbrennung wird durch Zündkerze oder Dieselzündstrahl initiiert
● Selbstzündung meist nicht erwünscht
Vorteile:
+ emissionsarm
Nachteile:
- Leistungseinbußen durch Liefergradverluste (geringer Gemisch-Heizwert)
- erhöhter Aufwand für Speicherung und Förderung
- energieaufwändige Gewinnung des Wasserstoffs
- unregelmäßiger Verbrennungsablauf durch:
● klopfende Verbrennung
● Glühzündung (hohe Verbrennungstemp.)
● Wasseranlagerungen an Zündkerze bei Kaltstart
● Rückzündung in der Ansaugphase
● äußere Gemischbildung (Saugrohreinblasung)
- gasförmiger Wasserstoff wird mit leichtem Überdruck in Saugrohr eingeblasen
- Verschlechterung des Liefergrades
oder
● innere Gemischbildung (Direkteinblasung)
- gasförmiger Wasserstoff wird bei hohem Druck (80-120bar) in Brennraum eingeblasen
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- Zündung über Piloteinspritzung von Dieslkraftstoff
● oder Kombination beider Verfahren
Dieselmotor
Grundlagen des dieselmotorischen Brennverfahrens
● Einspritzung vor ZOT in komprimierte, heiße Frischgasladung
● Zeit für Gemischaufbereitung gering
● Durch Inhomogenität des Verbrennungsluftverhältnisses teilweise
fette Verbrennung => Partikel
● steiler Druckgradient
● Geräuschemissionen
● durch hohe Temperaturen: NOx Bildung => AGR wirkt entgegen
● Abgasnachbehandlung: Dieselpartikelfilter (DPF), SCR-Kat., NOx
Speicherkat(Problem: Schwefelvergiftung)
● Zündung und Verbrennung durch mehrphasige
Niedertemperaturentflammung bestimmt
● Ketteninitiierung durch Bildung von Radikalen aus stabilen Molekülen
● Anzahl der Radikale bei Kettenfortpflanzung konstant
● Kettenverzweigung führt zu Erhöhung der Radikalenanzahl => Zündung
● Kettenabbruch durch Reduktion der Anzahl der Radikale
● Diffusionsflamme
Einteilung Dieselmotor
● verschleppte Verbrennung: Kraftstoff zündet in Vorkammer und wandert mit Flamme in Hauptbrennraum
=> weicherer Brennverlauf, weniger Nageln
=> aber Wandfilmeffekte
● heute: ungeteilte Brennräume mit ω-Mulde:
- Hochdruckstrahl soll Kolbenboden nicht erreichen um
Wandfilmeffekte zu vermeiden => ω förmige
Ausbuchtung
Dieselmotor mit Gasbetrieb
Gas-Dieselmotor
● luftverdichtendes Verfahren, Einspritzung des Gas kurz vor ZOT
● Zündung erfolgt mit geringen Mengen flüssigen Kraftstoffs (Zündöl) durch Kompressionszündung
● nicht-vorgemischte Flamme
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+ Wechsel von Gas- auf Dieselbetrieb möglich
+ kein Klopfen
+ zündunwillige Brenngase können verwendet werden
- zwei Kraftstoffsysteme
- hohe Verdichtung des Gas erforderlich
- zusätzliche Gasdüsen
- hohe Sicherheitsanforderungen
Diesel-Gasmotor
● Frischladung aus Brenngas-Luft Gemisch ( gemischverdichtendes Verfahren)
● Zündung durch flüssigen Kraftstoff
+ Wechsel von Gas- auf Dieselbetrieb möglich
+ einfacher Umbau ausgehend vom Dieselmotor
+ zündunwillige Brenngase können verwendet werden
- Klopfgrenze muss beachtet werden
Alternative Brennverfahren
● Ziel: Vermeidung von NOx und Ruß
● sehr komplex ( Mehrfacheinspritzung, VVT,…)
● müssen auch konventionell betreibbar sein (Notlauf)
● generell Kombi aus Otto und Dieselverfahren
Beispiele
●HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)
● DCCS (Dilution Controlled Combustion System)
●PCCI (Premixed Charge Compression Ignition)
● SACI (Spark Assisted Compression Ignition)
● HCLI (Homogeneous Charge Late Ignition)
● PPC (Partially Premixed Combustion)
● HPLI (Homogeneous Premixed Late Injection)
HCCI
● homogene Kompressionszündung
● sehr mageres Gemisch mit hohem Restgasanteil
● heißes Restgas bestimmt Zündzeitpunkt
● Verbrennung bei niedrigen Temperaturen
● Reduktion von NOx-Emissionen um bis zu 94%
● multiple Zündquellen
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Ablauf:
●1. Zündverzug: Vorreaktionen
● Vorzündung
● 2. Zündverzug
● nahezu instantane Umsetzung
● hoher Druckgradient
Einteilung der Brennstoffe
fossile Brennstoffe
● flüssige Brennstoffe:
- Mineralölbasis
- Kohlebasis ( durch Hydrierung/Vergasung und anschließender Synthese verflüssigt)
● gasförmige Brennstoffe:
- Erdgas
nicht fossile Brennstoffe
● Biomasse
● Abfallprodukte
● Wasserstoff
Beispiele: Bioethanol, Biodiesel, Biogas, BtL (Biomass to Liquid), Reine Pflanzenöle, Wasserstoff (biogen
erzeugt), Holzgas, …
Auswahlkriterien der Brennverfahren
● Emissionsgesetzgebung (z.B. EURO IV)
● Diagnose (On Board Diagnose)
● technische Realisierbarkeit:
- Problem bei alternativen Kraftstoffen
- Otto und Diesel hinreichend erprobt und zuverlässig
● Kosten:
- Wirkungsgrad (Verbrauch)
- Investitionskosten
- Wartungskosten
Merkmale der Brennverfahren
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Kapitel 3: Thermodynamische Grundlagen
thermodynamisches System: räumlich von der Umgebung abgegrenzter Bereich für thermodynamische
Betrachtungen
Umgebung: bezeichnet alles außer dem betrachteten System
Systemgrenze: grenzt ein System von der Umgebung oder anderen Systemen ab
Einteilung von Systemen
zeitlich
- instationär: Massen und Energiegehalt veränderlich
- stationär: Massen und Energiegehalt konstant
Interaktionsmöglichkeit: offen, geschlossen, abgeschlossen
Komplexität: homogen, heterogen, kontinuierlich, differentiell
thermodynamische Eigenschaften: Phasen, Stoffe, makroskopisch
Thermodynamischer Zustand & Zustandsgrößen
thermodynamischer Zustand: Summe der messbaren Eigenschaften eines Systems
Zustandsgröße: physikalische Größe; wegunabhängig, nur vom aktuellen Zustand abhängig
Zustandsänderung: Überführung eines td Systems von einem Zustand in einen anderen
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Prozessgrößen
● Prozessgrößen sind vom Weg der Zustandsänderung abhängig
● beschreiben wie Zustandsänderung abläuft
Thermische Zustandsgleichungen
kalorische Zustandsgleichungen
s. Folie 12 Kapitel 3
Zustandsänderungen
isotherm
isobar
isochor
isoenergetisch
isenthalp
isentrop
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Ideales Gas
Vereinfachung: Wechselwirkungen zw. Molekülen werden vernachlässigt
p*v = R*T
Reales Gas
● bei hohen Drücken gilt ideales Gasgesetz nicht mehr
● Realgasfaktor Z gibt Abweichungen des Verhaltens wieder:
Z= (p*v)/(R*T)
Energie
● Fähigkeit eines Systems Wärme und Arbeit über die Systemgrenze mit anderen Systemen oder der
Umgebung auszutauschen
● Energiearten: innere Energie, potentielle Energie, kinetische Energie, Wärme, Arbeit
innere Energie
● Energie des ruhenden Systems
● U=𝐸𝑠𝑦𝑠 – 𝐸𝑘𝑖𝑛 – 𝐸𝑝𝑜𝑡
Technische Arbeit
● Arbeit welche die Systemgrenze kreuzt
Reibungsarbeit
● Arbeit, die in innere Energie umgewandelt wird
Ursache:
Äußere Arbeit erzeugt nichtelastische Spannungen im Systeminneren (Reibungsarbeit). Diese Spannungen
werden dann in innere Arbeit umgesetzt
Dissipation:
Prozess der nicht umkehrbaren Umwandlung von Arbeit in innere Energie
Entropie
● beschreibt die Wandelbarkeit eines Zustands
● dS =
𝑑𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇
● nur im geschlossenen System gilt dS >= 0 ( Entropie nimmt monoton zu)
● Entropie beschreibt Anzahl möglicher Zustände:
- geordnet: niedrige Entropie
- ungeordnet: hohe Entropie
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2. Hauptsatz der Thermodynamik
● thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar
Kinetische und potenzielle Energie werden vernachlässigt
Thermodynamischer Wirkungsgrad
● höchstmöglicher Wirkungsgrad
● isotherme Wärmeabfuhr und Zufuhr nicht realisierbar
● kleine Fläche im pv Diagramm
Wärmetransport und Kennzahlen
● Transport thermischer Energie infolge Temperaturdifferenz
● Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung
Strömungen mit Energiezufuhr
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● Massenerhaltung
● Impulserhaltung
● Energieerhaltung
Ähnlichkeitstheorie und Kennzahlen
Idealisierte Kreisprozesse
Annahmen:
1. geschlossene Kreisprozesse
2. Arbeitsmedium: ideales Gas, Stoffwerte konst.
3. Verbrennungsverlauf: Gleichraum-, Gleichdruck- bzw. Grenzdruckverbrennung
4. Ladungswechsel: simuliert durch isochore Wärmeabfuhr
5. Wärmeübergang: adiabates System
6. Reibung: wird vernachlässigt
=> aus diesen Annahmen ergibt sich Isentropie für Kompression und Expansion
Gleichraumprozess (Otto Prozess)
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● Wirkungsgrad geringer als Carnot
● keine Lastabhängigkeit/Unabhängig von zugeführter Wärme q
Gleichdruckprozess (Diesel Prozess)
● Abhängig von zugeführter Wärme q (q ~ ρ)
● je geringer die Last, desto besser Wirkungsgrad
Grenzdruckprozess (Seiliger Prozess)
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Vergleich der Prozesse bei const. Ɛ und q_zu
● Gleichraumprozess verfügt (bei gleichem Ɛ und 𝑞𝑧𝑢 über den höchsten td Wirkungsgrad
● Gleichdruckprozess über den niedrigsten
● im Gleichraumprozess höchste Temperatur bei Verbrennungsende und niedrigste am Ende der
Expansion
=> höchste thermische Belastung des Brennraums und niedrigste des Auslasses
p_max Beschränkung
● p_max durch Bauteilfestigkeit vorgegeben
● höchster Wirkungsgrad bei Verdichtung bis p_max und anschließende Gleichdruckverbrennung
● Wenn Verdichtungsverhältnis durch Klopffestigkeit des Kraftstoffs begrenzt, erzielt man den größten
Wirkungsgrad folgendermaßen:
1. isentrope Verdichtung bis zum Verdichtungsenddruck (p_c)
2. p_c bis p_max durch Gleichraumverbrennung
3. anschließend Gleichdruckverbrennung
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Kenngrößen
Hub-Bohrungsverhältnis
● Kurzhuber s/d < 1
+ größere Konstruktive Freiheit bei Zylinderkopf
+ größere Ventildurchmesser
● Langhuber s/d > 1
+ geringeres Kolbengewicht
+ geringere Kippneigung des Kolbens
+ thermisch effizienterer Brennraum
+ kürzere Flammwege
Leistung und Mitteldruck
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Kapitel 4: Verbrennung
Standardbildungsenthalpie
● Wärmemenge, die bei der Bildung von 1 mol einer Verbindung im Standardzustand der Elemente
verbraucht(positiv) oder frei wird(negativ)
● reine Elemente haben stabilsten Zustand bei Normbedingungen => hier wird ihre Entahlphie = 0
definiert
Bsp. Verbrennung von H2O
Brennwert und Heizwert
Brennwert: auf die Brennstoffmasse bezogene negative Reaktionsenthalpie. Produktwasser liegt
vollständig flüssig vor
Heizwert: auf Brennstoffmasse bezogene negative Reaktionsenthalpie. Produktwasser liegt gasförmig vor
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Gemischzusammensetzung
Adiabate Flammentemperatur
● bezeichnet die Temperatur der Produkte, wenn keinerlei Wärme zwischen Flamme und Umgebung
ausgetauscht wird
● Liefert (in Praxis) die obere Grenze für die auftretenden Temperaturen bei Verbrennung
● abhängig von:
- Brennstoff Heizwert/Brennwert
- Oxidator ( Luft/reiner Sauerstoff)
- Luftverhältnis λ
- Anfangstemperatur
Voraussetzung zur Berechnung:
- vollständige Verbrennung bei Luftzahl λ >= 1
- bekannte Brennstoffzusammensetzung
- mittlere spezifische Wärmekapazität ( bezogen auf Referenzzustand) von: Brennstoff, Luft und
Produkten
Gleichgewichtsthermodynamik
● chemische Reaktionen lassen sich mathematisch beschreiben
● können in beide Richtungen ablaufen
● stöchiometrische Koeffizienten für Edukte negativ, für Produkte positiv
∑𝑖 𝑣𝑖 ∗ 𝐴𝑖 = 0
v=stöchiom. Koeff. ; A= Produkte bzw. Edukte
Gleichgewichtszustand
● alle Reaktion streben einem individuellen Gleichgewichtszustand entgegen nach ausreichender Zeit
● Zeit für Hinreaktion = Zeit für Rückreaktion
● makroskopisch sichtbare Reaktionsrate ändert sich nicht mehr
● keine Änderung der globalen Stoffzusammensetzung
=> schwammige Formulierung => Ziel: mathematische Formulierung, Ansatz: über Therm. Hauptsätze
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Hauptsätze der Thermodynamik
Thermodynamischer Gleichgewichtszustand
● über Umformungen des 1. und 2. Hauptsatzes erhält man die Bedingungen für GG:

● S=const. schwer zu erreichen und nicht messbar
=> Beschreibung für Praxis unbrauchbar
=> Beschreibung über freie Gibbs’sche Enthalpie
Freie Gibbs’sche Enthalpie
● Umformung einsetzen in obige Gleichung :
● =>
Chemisches Potenzial
● freie Gibbs’sche Enthalpie für Charakterisierung einer Spezies ungeeignet (G hängt von allen Reaktanten
ab)
● Einführung des chemischen Potenzials: Ableitung von G nach einer Spezies:
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● chemische Pot. beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes:
- an chemischen Reaktionen teilzunehmen
- zu Phasenübergang
- zu Diffusion
Zusammenfassung
Reaktionskinetik
● liefert Aussage über Reaktionsrate (benötigte Zeit bis Gleichgewichtszustand erreicht wird)
● Reaktionsordnung der Gesamtreaktion = Summe der einzelnen Reaktionsordnungen (alpha, beta,
gamma…)
● Reaktionsordnungen haben keinen Bezug zu stöchiometrischen Faktoren
● Unterscheidung zwischen:
- Bruttoreaktionen: Im Reaktionsablauf entstehen Zwischenprodukte
- Elementarreaktionen: es entstehen keine Zwischenprodukte
● Bruttoreaktionen können häufig in Elementarreaktionen zerlegt werden
Reaktionsordnungen – Elementarreaktionen
● Reaktionsordnung entstpricht bei Elementarreaktionen der Molekularität der Reaktanten
● Unimolekulare Reaktion (Zerfall: A -> Produkte)
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● Bimolekulare Reaktion (chem. Rkt: A+B => Produkte), häufigster fall
● Trimolekulare Reaktion (A+B+C => Produkte), geringe Wahrscheinlichkeit A, B und C gleiche Zeit u. Ort
Ermittlung der Reaktionsrate – experimentell
● Durchführung schwierig, da Reaktionen sich nicht beliebig stoppen und starten lassen
Reaktionsrate – rechnerisch
● Geschwindigkeitskoeffizient k ist nur geringfügig von Druck abhängig
● stark nichtlinear von Temperatur abhängig
● Modellierung nach Arrhenius:
● modifiziert: Temperaturabhängigkeit des Faktors A berücksichtigt:
Aktivierungsenergie 𝐸𝐴
● Energieschwelle damit Reaktion stattfindet
● entspricht max. den beteiligten Bindungsenergien:
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Gleichgewicht und Reaktionsraten
● GG erreicht wenn makroskopisch keine Veränderung der Stoffwerte erkennbar (Hin- und Rückreaktion
gleich schnell)
Reaktionsmechanismen
● Berechnung möglich, aber zu aufwendig (Rechenleistung)
=> Reduzierung des Mechanismus auf weniger Reaktionen und Spezies
=> trotzdem Abbildung der wichtigsten Charakteristiken
Ein-Schritt-Mechanismus
● Zwischenschritte werden ausgelassen
+ gute Berechnung der Wärmefreisetzung & Freisetzungsrate
+ gute Berechnung der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit
- keinen detaillierten Einblick in die Reaktionskinetik und Schadstoffbildung
● Für detaillierte Berechnung der Verbrennung(& Schadstoffbildung) muss reduzierter Mechanismus
appliziert werden, der nötige Anzahl Elementarreaktionen besitzt.
=> Extraktion mittels Sensitivitätsanalyse: Geschwindigkeitsbestimmende Reaktionen identifizieren (
Reaktionen, die für globale Kinetik wichtig sind – Zeitkonstanten)
=> Betrachtung der Hauptreaktionspfade
Reduktion von Reaktionsmechanismen
nach Sensitivitätsanalyse und Hauptreaktionspfade erkannt, weitere Reduktion:
● Partielles Gleichgewicht einzelner Spezies:
=> sofortiger GGzustand und keine weitere Berechnung nötig (gilt für sehr schnelle Reaktionen)
● einige Spezies können sich in Quasi-Gleichgewichts-Zustand befinden:
=> Konzentration bestimmter Spezies ist über die globale Reaktionsdauer als konstant anzusehen (
gilt für sehr langsame Reaktionen)
● trotz Reduktion noch viel Rechenleistung nötig
● Nicht Stand der Technik bei der Berechnung von Verbrennungsvorgängen in VM
● heutige Modelle bilden z.T. nur globale und sehr vereinfachte Reaktionsmechanismen ab
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Zusammenfassung Reaktionskinetik
Kapitel 5: Nulldimensionale Simulation des Verbrennungsmotors
Möglichkeiten der Arbeitsprozessrechnung
1. 0-D Modellierung:DGL nach Zeit
2. phänomenologische Modelle: DGL nach Zeit
3. 3-D CFD Modellierung: part. DGL nach Zeit und Ort
steigender Rechenaufwand und Modelltiefe: thermodyn. Modelle => phänomenologische M. => 3-D CFD
Abgrenzung der Modelle zur Arbeitsprozessrechnung
0-D Modellierung
● Brennraum zu jedem Zeitpunkt ideal durchmischt
● empirische Ansätze für den Brennverlauf
Phänomenologische Modelle
● Unterteilung des Brennraums in mehrere Zonen
● Berechnung des Brennverlaufs ohne Vorgabe eines empirischen Ansatzes
● Modellierung der Strömungs- und Turbulenzeinflüsse
3-D CFD Modellierung
● Explizite Lösung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes
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0-D Modelle
1-Zonen-Modell:
● gesamter Brennraum wird als eine Zone modelliert
● erste Aussagen über den Arbeitsprozess möglich
2-Zonen-Modell:
● Unterteilung in eine verbrannte und eine unverbrannte Zone
● durch die unterschiedlichen Temperaturen der Zonen ist die Implementierung eines NOx Modells
möglich
Mehrzonenmodell:
● durch weitere Zonen können bessere Aussagen zur Emissionsbildung und zum Wärmeübergang
gemacht werden
Modellannahmen 0-D Arbeitsprozessrechnung
1. Der Brennraum wird in Zonen eingeteilt. Jede Zone wird als homogen und durchmischt betrachtet
2. Prozessgrößen nur zeitabhängig, nicht vom Ort
3. Gas im Brennraum ist homogenes Gemisch aus Luft , Brennstoffdampf und verbranntem Gas
4. Reibungskräfte vernachlässigt, innerhalb einer Zone const. Druck
5. Verbrennung durch Zufuhr von Wärme modelliert
Grundgleichungen 1-Zonen Modell
Vorgänge im Wesentlichen durch Massenerhaltung, Energieerhaltung, Zustandsgleichung beschreibbar
● gemischansaugende Motoren: Brennstoffmasse in Eingangsmasse berücksichtigt
Notwendige Modelle zur Beschreibung der Terme
Modelle:
zur Beschreibung der inneren Energie
für den Brennverlauf
für den Wärmeübergang
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für Volumenänderung
für die Enthalpieströme
Modellierung der inneren Energie
● spezifische innere Energien der Luft 𝑢𝐿 und Brennstoff 𝑢𝐵 aus Tabellen ermittelbar
● spez. innere Energie der verbrannte Gase 𝑢𝑉 über verschiedene Ansätze:
Modell nach Justi, Modell nach Zacharias, Modell nach Heywood, Modell nach Grill
Modell nach Justi
● Polynomansatz, u von T und λ abhängig
● 𝑇𝑏𝑒𝑧 = 273.15K
+ sehr einfache Berechnungsmethode für die Kalorik
- gilt nur für λ >= 1 (mager)
- Zusammensetzung der Verbrennungsluft als konstant angenommen
- unterschiedlicher Wassergehalt der Luft nicht berücksichtigt
- gilt nur für ein festes C/H Verhältnis (das von Diesel)
- keine Berücksichtigung von Dissoziation (Aufspalten der Moleküle bei hohen Temperaturen)
Modell nach Zacharias
● zusätzlich Druck berücksichtigt
+ Abbildung der Druckabhängigkeit
Nachteile: die gleichen wie bei Justi, so.
Modell nach Heywood
● Annahme: Brennraum ist homogenes Gemisch aus idealen Gasen
Abgaszusammensetzung frei modellierbar
+ kann beliebig komplex aufgebaut werden
+ frei wählbares C/H Verhältnis
+ Anwendung für Diesel, Otto und diverse Gase
- keine Berücksichtigung der Dissoziation
- keine Betrachtung der NOx Entstehung möglich
Modell nach Grill
● Komponentenansatz mit Gleichgewichtsrechnung
● Modellierung der Zusammensetzung im Abgas durch 9 (+2) Spezies: CO, H2O, OH, H, O, CO2, O2, H2,
N2, +( optional N, NO)
● Berücksichtigung der Reaktionskinetik
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+ Vorausberechnung von NOx-Emission möglich
+ Berücksichtigung der Reaktionskinetik
+ Anwendung für Diesel, Otto und diverse Gase
- aufwendige Kalorik => längere Rechenzeiten
Modellierung des Brennverlaufs
Vibe-Brennverlauf
m= Formfaktor
Doppel-Vibe-Ersatzbrennverlauf
● bei Dieselmotoren mit vorgemischtem Verbrennungsanteil ist einfacher Vibe oft zu ungenau
● Superposition von zwei Vibe-Brennverläufen
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Polygon-Hyperbel-Brennverlauf
● Kombination eines Polygonzuges mit Hyperbel
Polygon 1-2-3-4-5, Hyperbel 5-6, Premixed-Teil 1-2-3, Diffusions-Teil 1-3-4-5-6
Vibe-Hyperbel-Ersatzbrennverlauf
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● Vibe: Zündung und Hauptverbrennung, Hyperbel: Ausbrandphase
Umrechnung des Brennverlaufs
Ziel: Brennverlauf an neue Betriebsbedingungen anpassen
Vorgehensweise:
1. Vermessung eine Referenzpunktes
2. Berechnung des Brennverlaufs für den Referenzpunk
3. Vorausberechnung des Brennverlaufs für den geänderten Betriebspunkt mittels Einflussfaktoren für
Last, Drehzahl, Luftverhältnis, Restgasgehalt, Zündzeitpunkt
Modelle zur Vorausberechnung:
● Ansatz von Woschni und Anisits für direkteinspritzende Dieselmotoren
● Ansatz von Hires et al. für Ottomotoren
Ansatz von Woschni und Anisits
Ansatz von Hires et al.
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Modellierung der Wandwärmeverluste
Kann der Ansatz auf Basis der Ähnlichkeitstheorie verwendet werden?
● die Strömungsverhältnisse und Geschwindigkeiten im Brennraum ändern sich durch Kolbenbewegung
ständig
● die Annahme eines turbulent durchströmten Rohres insbesondere im Bereich des OT ist nicht erfüllt
=> Ansatz kann nicht ohne Weiteres verwendet werden. Er kann aber als Basis dienen
Modellierung der Wandwärmeverluste nach Woschni, Lorenz, Hohenberg, AVL, Bargende
Wärmeübergang durch Strahlung
Modellierung der Volumenänderungsarbeit
● Abhängig von λ, Geometrie, Kurbelwinkel
Modellierung der Enthalpieströme
● Enthalpie h über innere Energie u bestimmt (s.o.)
● Massenströme über Durchflussgleichung
● Einschnürung der Strömung an Ventil:
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2-Zonen Modell
● Kraftstoff und Luft aus unverbrannter Zone durch Flammenfront in verbrannte Zone (dabei Reaktion)
● oder ohne Flammenfront zu passieren in verbrannte Zone (ohne Reaktion)
Mehrzonenmodell
Warum weitere Zonen?.
● Modellierung von Temperaturschichtung möglich: bessere Aussagen zu Wandwärmeübergang und
Schadstoffbildung
● separate Behandlung von Gebieten mit speziellen Strömungseigenschaften
● Berechnung von Kammermotoren
Füll- und Entleermethode
● Nulldimensionale Berechnungsmethode für Rohrsysteme
● Berechnung des Ein-/Auslasssystems und der Aufladungskomponenten
● Peripherie: Komponenten (Luftfilter, LLK, Sammler, Drosselklappe, Umblaseklappe) werden durch
Behälter, Drosseln und Blenden modelliert.
Für Strömungsmaschinen(Verdichter, Turbine) behilft man sich mit Kennfeldern
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● Annahme: Ausgleichsprozesse(Mischung, Temperatur, Druck) im Behälter unendlich schnell
Behälter
Blende
Verdichter
Vorgehensweise
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Füll- und Entleermethode
+ verhältnismäßig einfaches Verfahren
+ für viele Anwendungen ausreichend genau
- gasdynamische Effekte (Schwingrohr, Resonanzaufladung) werden nicht erfasst
- Abweichungen nehmen mit der Drehzahl und größerem Volumen zu
Modellierung der Reibung
Reibmitteldruck: 𝑝𝑚𝑟 = 𝑝𝑚𝑖 − 𝑝𝑚𝑒
Reibungsmodelle:
● Thiele, Kochanowski (für Diesel):
● Schwarzmeier ( 2 Ansätze für Diesel)
● Patton, Nitschke, Heywood (fremdgezündete Motoren)
Druckverlaufsanalyse und Arbeitsprozessrechnung
DVA: Druck messen und Brennverlauf berechnen
APR: Druck und Temp. werden aus vorgegebenem Brennverlauf bestimmt
cDyn
● Software von LVK Lehrstuhl zur Arbeitsprozessberechnung
s. Folie 76ff,Vo 5
Kapitel 6: Aufladung und akustische Theorie
Motivation
● Verbesserung Drehmoment- und Leistungscharakteristik
● besserer Leistungsgewicht
● Wirkungsgradsteigerung
● niedrigere Kosten bei gleicher Leistung
● geringerer Raumbedarf
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Einfluss auf die Motorleistung
=> Druck hoch , Temperatur runter
Einfluss auf die Abgasemissionen
𝑝𝑐 = Kompressionsdruck
Ottomotoren:
● λ = 1 muss eingehalten werden wegen 3-Wege-Kat
● Gesamtzyklusemission abhängig von der Rohemission sowie der Light-Off-Temperatur des Katalysators
=> Nachoxidation/Kat.heizen mit größerer Ventilüberschneidung und Nachspritzen
verbessern(Kraftstoff oxidiert in Abgastrakt)
Dieselmotoren:
● CO- und HC-Emissionen meist unkritisch
● größerer Luftüberschuss möglich => PM-Emission kann reduziert werden
● Reduktion der NOx-Emission bei gleicher Leistung (Vergleich zum Saugmotor) und Verbrauch durch
späte Einspritzung möglich
Einfluss auf den Wirkungsgrad
● mechanischer Wirkungsgrad des Motors im Vergleich am stärksten durch den Ladedruck beeinflusst
𝑝𝑚𝑒 ↑ => 𝑝𝑚𝑟 ↑
n ↑ => 𝑝𝑚𝑟 ↑↑
Reibmitteldruck steigt über Drehzahl und Last
Einfluss der Last geringer als Drehzahl
=> Downsizing: Verbrauchsreduzierung durch Einsatz eines kleineren, aufgeladenen Motors, welcher
gleiche Leistung wie großes Aggregat erzielt
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Verdichterarbeit
● offene Systeme(Strömungsverdichter): Druckänderungsarbeit: ∫ v dp
● geschlossene Systeme(Verdrängerlader): Volumenänderungsarbeit: ∫ p dv
● evtl. isentroper Wirkungsgrad:
Ladeluftkühlung
● Verdichtung ist mit einer Erhöhung der Temperatur verbunden
Temperaturzunahme kompensiert einen Teil der Dichtesteigerung => LLK wirkt entgegen(Temperatur fällt
hier stärker als Druck)
Vorteile LLK:
Nachteile LLK:
+ verbesserte Füllung
+ Temperaturniveau gesenkt
(weniger thermische Belastung Motor
weniger Wandwärmeverluste)
+ reduziert NOx-Emissionen
+ geringeres Klopfrisiko bei Otto
+ höhere Leistung möglich
- Kosten
- benötigter Bauraum
Akustische Theorie
Wellengleichung
● Druckwellen, welche im Einlass und Auslasssystem auftreten haben Einfluss auf Zylinderfüllung
● Annahmen: 1. Rohr mit konstantem Querschnitt A
2. Reibungsfrei, adiabat => isentrop
Voraussetzungen der akustischen Theorie
1. Infinitesimale (kleine) Störung des Referenzzustands „0“
2. Teilchengeschwindigkeit u klein im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit c: Terme mit u vernachlässigbar,
nicht aber deren Ableitungen
3. Dichteänderung vernachlässigbar: roh =const. = roh_0
34
4. Strömung adiabat und reibungsfrei: q˙ = 0, 𝑓𝑟 = 0 => isentrop
Schallgeschwindigkeit
Definition:
Lösung der Wellengleichung
● partielle DGL 2. Ordnung
● beschreibt Amplitude(z.B. Druck) einer Welle in Abhängigkeit von Ort und Zeit
● idR numerisch gelöst
● analytische Lösung möglich: Lösung nach d’Alembert:
Wie breitet sich eine Störung aus?
● Entlang charakteristischer Kurven
● mit Schallgeschwindigkeit c
Definition: als charakteristische Kurve versteht man eine Kurve, entlang derer sich eine
Information(Störung) unverändert ausbreitet
Bedingungen am Rohrende
Geschlossenes Rohrende
Offenes Rohrende
35
Nutzung gasdynamischer Effekte
verstellbare Saugrohrlängen für verschiedene Betriebspunkte
Alternative Lösungsverfahren
Charakteristiken Verfahren
● große Druckstörungen können berücksichtigt werden, kein lineares Verhalten der Wellen (c!=const)
● Druckwellen verändern Form
● aufwendige iterative Lösung
Differenzenverfahren
● große Druckstörungen
● Einsatz zusammen mit der finiten Differenzen oder FVM
● Approximieren der partiellen DGL durch ein Gleichungssystem => effizientere numerische Lsg.
Verdichter und Turbine
Innere Verdichtung
Definition: Erfolgt die Drucksteigerung in einem Verdichter während das Fluid durch diesen strömt – also
kontinuierlich – spricht man von innerer Verdichtung
Ohne innere Verdichtung: Das Fluid wird ohne Drucksteigerung durch den Lader gefördert. Die
Kompression(auf statischen Druck) erfolgt erst, wenn das Fluid mit nachgeschaltetem Volumen(höherer
Druck) in Verbindung steht
Verdichter
1. Verdrängerlader: Je nach Typ mit (z.b. Schraubenverdichter) oder ohne (z.B. Rootsgebläse) innere
Verdichtung
2. Strömungverdichter: Kinetische Energie wird in Druckenergie bzw. statischen Druck umgewandelt
die Umwandlung erfolgt kontinuierlich  innere Verdichtung
Verdichterkennfelder
Aufbau:
1. Abszisse: Durchsatz (Volumen- oder Massenstrom)
2. Ordinate: Druckverhältnis
3. Linien konstanter Drehzahl
4. Linien konstanten Wirkungsgrads
36
Verdrängerlader
● nach links geneigte Linien konstanter Laderdrehzahl (wg.
Schadraum(komprimierte Gase dort müssen erst expandieren bevor neue
Gasmasse angesaugt wird) Spaltverluste sinkt der Durchsatz mit steigendem
Druckverhältnis)
● fördern zum Teil diskontinuierlich => unterschiedliche Füllung der Zylinder
=> Laufruhe beeinträchtigt
● keine instabilen Bereiche => Einsatz im gesamten Kennfeldbereich
● Druckverhältnis drehzahlunabhängig
● Verdichterdruckverhältnis: 𝜋𝑣 =𝑝2 / 𝑝1
Strömungsverdichter
● mit steigendem Druckverhältnis sinkt der Durchsatz
● Verdichterpumpen: bei hohem Druckverhältnis und geringem Massenstrom
=> Umkehr der Strömungsrichtung(Leistung Verdichter zu gering um weiter Luft auf
höheres Druckniveau zu verdichten => Umkehr Strömungsrichtung und
Senkung des Drucks nach Verdichter => Luft kann wieder gefördert werden
=> zyklische Änderung mit Druckstößen, Vibration, Tempanstieg
=> Schäden
● Stopfen: im engsten Querschnitt wird Mach 1 erreicht => Verdichter sperrt
● Maximaldrehzahl: begrenzt Kennfeld nach oben (Massenkräfte)
Verdrängerlader – Bauarten
Lysholm Schraubenverdichter
Pierburg-Lader
Roots-Lader
Ro-Lader
Spiral-Lader
37
Strömungsverdichter
Axialverdichter
Radialverdichter
Strömungsrichtung unverändert
Änderung der Strömungsrichtung
● Einströmen: axial
● Ausströmen: axial
● Einströmen: axial
● Ausströmen: radial
+ hohe Durchsätze
- geringes Druckverhältnis
+ hohes Druckverhältnis
+ kompakt
Turbine
● Turbinendruckverhältnis: 𝜋 𝑇 = 𝑝3 / 𝑝4 (genau anders herum als Verdichter)
● Axial- oder Radialturbine
● selbes Prinzip wie Strömungsverdichter, jedoch wird Fluid expandiert und treibt Rotor an
● Bernoulligleichung:
● potentielle Energie(des Fluids) wird in kinetische Energie(des Rotors) gewandelt
● Zustand vor Turbine vom Betriebspunkt des Motors abhängig
● Zustand nach Turbe: 𝑝4 ≈ 𝑝∞ , 𝑇4 >> 𝑇∞
Turbinenkennfelder
38
Modell vs reales Verhalten
● obiges Modell ist ein einfaches Modell welches sich besonders für Simulationen mit hohen
Anforderungen an die Rechenzeit anbietet
● Sperren bei bei 𝜋 𝑇 ≈ 1.8 bilden die Realität nicht korrekt ab
=> Modell kann zwar für viele Anwendungen eingesetzt werden, Bedatungsaufwand gering. Allerdings
muss der Fehler durch zu frühes Sperren berücksichtigt werden
Turbinenstopfen
Durchströmen des engsten Querschnitt mit Ma=1
=> weitere Erhöhung des Druckverhältnisses steigert Massenstrom nicht!
=> bei Steigerung des Massenstroms vor Turbine => kann nicht mehr abgeführt werden => Druck steigt
=> mehr Ladungswechselarbeit und schlechtere Spülung => mehr Kraftstoffverbrauch
man spricht von Sperren der Turbine/Drossel
Zusammenwirken von Motor und Verdichter
Schluckverhalten eines Zweitaktmotors
● Motor wird als Drossel dargestellt
● Problem: intermittierende Arbeitsweise
=> Modellvorstellung: ein Ersatz Duchflussquerschnitt für Einlass und Auslass mit Berücksichtigung der
Ventilzeiten
39
Schluckverhalten eines Viertaktmotors
Zusammenhang ähnlich wie bei Zweitaktmotor, aber etwas komplizierter
Zusätzlich werden Zylinderhubvolumen, Drehzahl und Liefergrad benötigt
Kennfeld ähnlich wie Verdrängerlader, aber Durchsatz steigt mit Druck p2
mit Ventilüberschneidung natürlich größerer Volumenstrom
Spülanteil = Differenz zwischen beiden Linien
Zweitaktmotor – Strömungslader (mechanisch)
● steigender Durchsatz => größerer Abstand von Betriebslinie zu Pumpgrenze
● bei Beschleunigung: Drehmomentverlauf kann nur schwer erfüllt werden
40
Zweitaktmotor – Verdrängerlader (mechanisch)
● früher für große Kreuzkopf-Dieselmotoren
● Volumenstrom steigt proportional zur Baugröße =>Bauraum, Kosten
Viertaktmotor – Strömungslader (mechanisch)
● konstantes Übersetzungsverhältnis
● Motorkennfeld kann nicht vollständig abgedeckt werden
● ungeeignet für instationären Betrieb (PKW & NFZ)
● erfüllt Drehmomentcharakteristik von Stationärmotoren (Schiff/Kraftwerk)
Viertaktmotor – Verdrängerlader (mechanisch)
41
Mechanische Aufladung
● Verdichter wird elektrisch oder direkt (evtl. über ein Getriebe) von der Kurbelwelle des
Verbrennungsmotors angetrieben
● Aufgrund von Verluste ist die reale Verdichterarbeit stets größer als nutzbare Ladungswechselarbeit
● für eine Wirkungsgradverbesserung müssen die Reibungs- und Wandwärmeverluste des Motors so
stark zurückgehen, dass die Verdichterarbeit kompensiert wird
● Anwendung: kleine Motoren(Baugröße steigt proportional zum Volumenstrom)
● immer positives Spülgefälle (keine Turbine)
● Zielkonflikt Turbinenwirkungsgrad vs. Anspringverhalten Katalysator entfällt
Regelung Verdichter
Ziel: Ladedruck im gesamten Betriebsbereich stufenlos regelbar
* Schnelle Anpassung des Betriebspunkts
* Bauteilschutz
* Wirkungsgradsteigerung
42
Abschalten des Verdichters in Lastbereichen, die saugmotorisch erreicht werden können, kann
Wirkungsgradvorteile bringen. Bei Verdichtern mit innerer Verdichtung muss die Abschaltung in diesen
Bereichen erfolgen, um Verluste zu vermeiden.
1. Drehzahlgeregelter Verdichter: Getriebe => aufwendig, teuer, Bauraum
2. Abblasen => ineffizient, Luftmassenerfassung nicht möglich
3. Umblasen mit geregeltem Bypass-Ventil
4. Kennfeldstabilisierende Maßnahme(KSM)
5. Vorleitgitter
6. Diffusorbeschaufelung
Umblasen
● Bypass Ventil parallel zum Verdichter
● Teil des Massenstroms wird wieder vor den Verdichter gefördert => Erhöhung des Massenstroms
● Verdichter wird stabilisiert (Kennlinie wandert weg von Pumpgrenze)
● Durchsatz und Druckverhältnis steigen
● geringe Verluste
Kennfeldstabilisierende Maßnahmen (KSM)
● Bypass im Gehäuse eines Strömungsverdichters
● sowohl an der Pump- als auch an der Stopfgrenze wird das Verdichterverhalten verbessert
Regelung über Verdichtergeometrien
Vorleitgitter
● verbesserte Schaufelanströmung (gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil)
● verbessert die Akustik
variable Diffusorbeschaufelung
● Druckgewinn im Diffusor regelbar
● verbessert die Akustik
Position der Drosselklappe
● auch Motoren mit vollvariablem Ventiltrieb brauchen Drosselklappe als Absicherung
● dient zur Laststeuerung
43
Drosselklappe vor Verdichter
● besseres Teillastverhalten
geringerer Druck => Dichte nimmt ab => Volumenstrom steigt (V_punkt = m_punkt /roh)
● Unterdruck im Verdichter bei Teillast erfordert aufwendige Ölabdichtung
● bei Verwendung eines Ladeluftkühlers verschlechtert sich das Ansprechverhalten aufgrund des
größeren Totvolumens (Abstand DK zum Einlassventil)
Drosselklappe nach Verdichter
● ohne Umblaseventil Gefahr des Verdichterpumpens
● bei schnellem Schließen der Drosselklappe entsteht ein hoher Leistungsüberschuss (Trägheit des
Luftpfads) an der Turbine. Auf der Seite des Verdichters kaum Massenstrom vorhanden =>
Verdichterpumpen
Abgasturboaufladung
● Abgas wird in einer Turbine expandiert und die gewonnen Energie wird über eine Welle an einen
Strömungsverdichter übertragen, der Frischluft komprimiert
● hoher Wirkungsgrad
● geringer Bauraumbedarf
● günstiges Emissionsverhalten
44
Abgasturboladerregelung
1. Abblasen (Aufgrund Abgasgesetzgebung nicht möglich)
2. Bypass Waste-Gate
3. variable Turbinengeometrie(VTG)
4. Umblasen
5. Anpassung des Motorbetriebspunkts
Verdichter:
analog Regelung Strömungsverdichter(mechanische Aufladung)
Waste-Gate
● liegt Soll-ladedruck unterhalb des aktuellen Ladedrucks, kann ein Teil der Abgasmenge an der Turbine
vorbeigeführt werden
● Waste-Gate beschränkt Ladedruck nach oben, eine Steigerung des Ladedrucks ist nicht möglich
●
Variable Turbinengeometrie
● Turbine verfügt über verstellbare Leitschaufeln
● Regelung der Turbinenleistung und Ladedruck über Anstellung der Schaufeln
● bei niedrigem Druchsatz(Drehzahl) wird Querschnitt reduziert => Abgasstrom aufegestaut,
Abgasgegendruck steigt, Ladedruck steigt
● bei hohem Durchsatz(Drehzahlen) werden Leitschaufeln geöffnet: Abgasgegendruck und
Druckverhältnis sinkt, Ladedruck sinkt
Umblasen
● Bypass zwischen Ansaug- und Abgasseite
45
Betriebspunktanpassung
● Änderung des Motorbetriebspunktes
● Maßnahmen, die Abgasgegendruck sowie Abgastemperaturerhöhen oder senken um die Enthalpie vor
der Turbine zu beeinflussen
● Einfluss gering => Maßnahme beschränkt
● Wirkungsgradverlust des Motors bei steigendem Abgasgegendruck
Erinnerung Turbinendruckverhältnis: 𝜋 𝑇 = 𝑝3 / 𝑝4 (genau anders herum wie Verdichter)
Einfluss erhöhter Druckverlust im Einlasssystem
=> erforderliches Druckverhältnis wird erhöht
=> Betriebslinie wandert nach oben
Auswirkung auf das Gesamtsystem
46
Anforderungen Einlasssystem
● Möglichst geringer Druckverlust im Luftfilter, LLK
● Strömungsgünstiger Einlauf in den Verdichter (gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil)
● Insbesondere sollen Verwirbelungen vermieden werden
Auslasssystem
● Rohrleitung auf optimale Nutzung der Abgasenergie ausgelegt
● Druck- und Temperaturverluste reduzieren
● Luftspaltisolierte doppelwandige Rohre
● kurze Leitungen mit geringem Querschnitt leiten Druckwellen optimal zur Turbine
=> nachteilig bei hohen Volumenströmen
Aufladesystem
Verdichter: Erforderliches Druckverhältnis im gesamten Kennfeldbereich erzielbar sein
Turbine: ausreichend Leistung zum Antrieb des Verdichters im Kennfeldbereich
Auslegungskriterien Stationärbetrieb
1. Kraftstoffverbrauch
2. Emissionsrichtlinien
Anforderung also: Optimum aus Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten, Abgasgegendruck,
Ladedruck, Verbrennungsluftverhältnis und Ladungswechselarbeit
Instationärauslegung
Ziel: Gesamtsystem aus Motor und Abgasturbolader soll auf Lastwechsel schnell und vorhersehbar
reagieren
Stellgrößen:
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1. Zündung (schnell)
2. Einspritzung (schnell)
3. Luftmenge (langsam)
Durch die zusätzlichen Volumina bei der Abgasturboaufladung wird die Totzeit des Luftpfades weiter
erhöht
Beschleunigungsverhalten
=> kleine Turbine kommt schnell in Bereich des Leistungsüberschuss um Verdichter zu beschleunigen
Einfluss Druckverhältnis auf Verdichter
=> bei n_min soll hoher Ladedruck zur Verfügung stehen, aber bei n_max noch genug Abstand zu
Stopfgrenze
Stau- und Stoßaufladung
● Stauaufladung:
Mechanismus: Beruhigen der Strömung zu Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades
● Stoßaufladung:
Mechanismus: Ausnutzen der Druckstöße zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des Motors
48
Unterschiede:
Stauaufladung:
● Druckverluste im Abgassystem höher
● niedrigerer Abgasgegendruck => positive Auswirkung auf Motorwirkungsgrad
● höherer Turbinenwirkungsgrad
Stoßaufladung:
● Vorteile im dynamischen Verhalten (reagiert bei einem Lastwechsel schneller, da kleineres Volumen
und damit kleinere Totzeit)
Zweistufige Aufladung
● Hintereinanderschaltung von zwei Abgasturboladern mit Ladeluftkühlung nach jeder Verdichterstufe
● Sind beide Verdichter auf einer Welle angeordnet => Aufladegruppe
49
● delta_h wird eingespart gegenüber
einstufiger Aufladung
Vorteile:
+ Höheres Ladedruckniveau => 𝑝𝑚𝑒 ↑
+ Besserer Aufladungswirkungsgrad (𝜋𝑉 ↓ => ɳ𝑉 ↑)
+ Reduktion der Verdichterarbeit zur Zwischenkühlung
Nachteile:
- Schlechteres dynamisches Verhalten ( zusätzliche Volumina und Massen)
- Erhöhter Bauraum, Gewicht und Kosten
- Abgassystem thermisch träger
Registeraufladung
● Bedarfsgerechter Einsatz von Abgasturboladern
● Parallele Anordnung von zwei oder mehreren Turboladern mit kleinerem Querschnitt
● Beim Start und bei Teillast wird nur eine Hälfte der Lader durchströmt
● Kleine Turbolader (weniger Masse) verfügen über ein besseres Dynamikverhalten
zweistufige Registeraufladung
● Nieder- und Hochdruckturbolader in Reihe schalten
● Über last- und drehzahlgesteuerte Abgasklappen werden sie einzeln oder gemeinsam mit
Abgasmassenstrom beaufschlagt
50
Kapitel 7: Dreidimensionale Simulation des Verbrennungsmotors
Herausforderungen und Workflow 3-D-CFD
wichtige Überlegungen vor einer Simulation
Was soll simuliert werden?
Welche Randbedingungen sind sinnvoll?
Wie sieht die Geometrie aus? Können Vereinfachungen getroffen werden?
=> Iterationsschleifen sind trotzdem kaum zu vermeiden
Geometrie und Vernetzung
● Strukturierte Gitter:
regelmäßiges Raster, einfache Speichervewaltung, nur für einfache Geometrien
● Unstrukturierte Gitter:
flexibles Raster und Formen der Zellen , für kompliziertere Geometrien, Berechnung
aufwändiger
● Blockstrukturierte Gitter:
mehrere Blöcke aus strukturierten Gittern
● Hybrid-Gitter:
mehrere Blöcke gemischt aus strukturierten und unstrukturierten Gittern, für Mix aus
einfachen und komplizierten Geometrien
Bewegte Netze
51
Periodische Ränder
● um Rechenzeit zu sparen wird der Brennraum in symmetrische Teile unterteilt und nur ein Segment
hiervon berechnet
● zyklische Randbedingungen, austretende Strömung tritt an anderem Rand wieder ein
Erhaltungsgleichungen – Navier Stokes
Massenerhaltung, Impulserhaltung, Energieerhaltung spielen rein
Euler‘sche und Lagrange‘sche Beschreibung
52
Das k-ε-Turbulenzmodell
● Turbulenzwirbel werden in Strömung verzerrt => Strömung wird Energie entzogen und in kinetische
Energie der Bewegung der Wirbel umgewandelt
● Am Anfang sind Wirbel groß => Diese zerfallen in kleinere Wirbel => irgendwann zerfallen Wirbel und
ihre kinetische Energie dissipiert
Ladungswechsel
● stationäre Rohrströmung als Basis für Beschreibungen der Ladungsbewegung im Zylinder
● Reynolds-Zahl als Charakteristik für Strömung
● Bohrungsdurchmesser als charakteristischen Längenmaß
53
Einspritzung
Euler-Euler: jede Phase wird als Kontinuum betrachtet
Euler-Lagrange: Beobachtung einzelner Partikel in der Strömung
Herausforderungen der Modellierung
● Berechnung der Düseninnenströmung
- Hohe Drücke ( > 2000 bar)
- kleine Spritzlochdurchmesser ( d ≈ 0.2 mm)
- Entstehung von Kavitation im Spritzloch => Zwei-Phasen-Strömung
● Kavitation
- Bernoulli
- Unterschreitung des Dampfdruckes => Kavitationsentstehung (kann in gewissen Grenzen nützlich
sein für Kraftstoffverwirbelung, wenn Dampfblasenzerfall bis in Brennraum verzögert wird)
● Eintritt des Strahls in die Brennkammer
Düseninnenströmung
Kavitationszahl (Cavitation number CN)
54
● Abschätzung ob Kavitation auftritt
● Ab CN ~ 1.2 (Einlaufkante) => Kavitation
● CN stark von Spritzlochgeometrie abhängig
● CN ist nur „vereinfachte“ Berechnung:
- bildet nicht die gesamte Strömung ab
- nulldimensionale Betrachtung
Durchflussbeiwert 𝐶𝑑 ( Nozzle-Discharge-Coefficent )
● Durch Kavitation => Einschnürung des Spritzlochquerschnittes:
● Massenstrom wird gemessen
● Abschätzung des Durchflussbeiwerts 𝐶𝑑
Düseninnenströmung mit CFD
● Düseninnenströmung => Zwei-Phasen-Strömung
● Kopplung der flüssigen/gasförmigen Phase
● Multifluid Model-Methode (Euler-Euler)
=>Aufteilung des Strömungsgebietet in mehrere Phasen 𝛼𝑘
● Interaktion zwischen flüssiger und gasförmiger Phase:
- Phasengrenzschicht
- Massen-, Impuls-, Turbulenz-, Energieaustausch
● Nadelhub induziert Turbulenz
55
Strahlaufbruch
Reynolds: Verhältnis Trägheitskräfte zu Reibungskräfte, gibt Zustand der Strömung an(laminar, turbulent)
Weber: Trägheitskraft zur Oberflächenspannung, Maß für Stabilität des Tropfens
Ohnesorge: Zähigkeitskräfte zu Oberflächenkräfte
=> auch Aufbruchlänge und Geschwindigkeit des Strahls dient zur Charakterisierung des Strahls
56
Arten des Primäraufbruchs
Rayleigh-Zerfall
● Geringe Strahlgeschwindigkeit
● Einfluss auf Strahlaufbruch: Oberflächenspannung des Fluids
● Störungen
=> axialsymmetr. Schwingungen
=> Einschnürung führt zu Strahlzerfall
● Tropfen größer als Düsendurchmesser
Erster windinduzierter Zerfall
● Zusätzlich Einfluss aerodynamischer Kräfte
● Schwingungen werden verstärkt => schnellerer Zerfall
● Tropfendurchmesser ≈ Düsendurchmesser
Zweiter induzierter Zerfall
● Erhöhung Strahlgeschwindigkeit
=> Verstärkung axialsym. Schwingungen
=> Transversale Schwingungen
● Herauslösen kleiner Tröpfchen aus Hauptstrahl
● Tropfen kleiner als Düsendurchmesser
Atomisierung / Zerstäubung
● Strahloberfläche nach Austritt zerstört
● Im Inneren kompakter flüssiger Kern
● Aufbruchlänge abh. von Düsengeometrie
Einspritzung im Verbrennungsmotor findet nicht sofort im Atomisierungsregime statt, sondern durchläuft
wirklich alle 4 Phasen
57
Sekundäraufbruch
● Sekundäraufbruch beschreibt den Aufbruch der vorhandenen Ligamente, Fäden etc. in kleinere stabile
Tröpfchen
● Strahlkern: fast nur Flüssigkeit; aerodynamische Kräfte spielen kaum eine Rolle; Zerfall durch Turbulenz
und Kavitationsblasen
● Rand der Kernzone: Gasanteil nimmt zu; Wechselwirkung zwischen Gas und Flüssigkeit gewinnt an
Einfluss
● Dünne Strahlzone: Flüssigkeitsanteil stark gesunken; kaum noch Tropfenkollisionen; aerodynamische
Effekte führe vermehrt zum Aufbruch
Tropfenaufbruchsmachnismen
- Unterscheidung nach Weber-Zahl We
- Treibende Kraft für Zerfall: Relativgeschwindigkeit (Tropfen/Gas) ~ 𝑢𝑟𝑒𝑙 ²
- Stabilisierend gegen Zerfall: Oberflächenspannung σFluid
- Abbremsung der Verformung durch Viskosität
=> Verlängerung der Tropfenlebensdauer
Ursache für Tropfenzerfall
- Kevin-Helmholtz-Instabilität (zwei parallele Strömungen, Strörung zwischen Grenzflächen;
Formabweichung senkrecht zu Strömungsrichtung)
- Rayleigh-Taylor-Instabilitäten (Beschleunigung dichtes Medium durch weniger dichtes; Formabweichung
parallel zur Strömung)
- Abscherung Tropfen/Gas-Grenzschicht durch aerodynamische Kräfte
58
Verbrennungsregime und Flammentypen
● Unterscheidung von Flammentypen / Verbrennungsregimen im allgemeinen nach der Art der
Vermischung des Brennstoffs mit dem Oxidator:
- vorgemischt
- nicht vorgemischt / Diffusionsflamme
- laminar
- turbulent
Beispiele:
Laminare vorgemischte Flamme: Bunsenbrenner
Turbulente vorgemischte Flamme: SI Ottomotor
Laminare nicht vorgemischte Flamme: Kerze
Turbulente nicht vorgemischte Flamme: Gasturbine
Kennzahlen thermo-fluiddynamischer Prozesse
Damköhler-Zahl:
Karlovitz-Zahl:
Borghi-Peters-Diagramm
● im Brennraum hohes Turbulenzniveau => turbulente Strömung beeinflusst Flamme
● Übergang von glatter laminarer Flammenfront zu komplexer Struktur in Borghi-Peters Diagramm
dargestellt
59
Abszisse: Turbulenzintensität u‘ normiert auf laminare Flammenintensität 𝑠𝑙
Ordinate: integrale Längenskala 𝑙𝐼 der Wirbel auf laminare Flammendicke 𝛿𝑙 normiert
● da idR Turbulenz in Motor sind folgende Regime von Interesse:
Regime 3: klassische Flammenfrontverbrennung
Regime 4: nicht vorgemischte Verbrennung
Regime 5: homogene Selbstzündung
Diffusionsverbrennung:
● Brennstoff und Oxidator zunächst getrennt=> physikalische Mischung=>Reaktion.
● Reaktion viel schneller als Mischung => physikalische Geschwindigkeitsskala dominant weil langsamer
homogene Selbstzündung/Raumzündung:
● chemische Zeitskala dominant
60
● BS und Oxidator bereits ideal gemischt
● Dieselverbrennung nähert sich mit zunehmender Vormischung der homogene Raumzündung an
Flammenfrontverbrennung:
● ähnlich homogene Raumzündung, aber andere Zündung
● homogenes Gemisch wird fremdgezündet
● eine Zündquelle
● Klopfen möglich
Zündprozesse
● Zündung eines brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch auf zwei Arten möglich:
1. „Thermische“ Explosion: Beschreibung nach Semjonow:
2. „Chemische“ Kettenreaktion
Thermische Explosion
● z.B. durch Zündkerze schlagartige Bereitstellung von Energie, sodass Zündgrenze überschritten wird
𝑄𝑝′ steigt mit Temperatur schneller als 𝑄𝑙′
Visualisierung
● für niedrig liegende Wärmefreisetzungskurven können stationäre Punkte (S1 und S2) entstehen
● Wärmeproduktion = Wärmeverlust
● bei Temperaturen links S1 kommt es zum Antieg bis S1, da Wärmeproduktion höher als Verlust
● zwischen den Punkten sackt Temp. auf T_S1 ab, da mehr Wärme abgeführt wird
● => S1= stabiler stationärer Punkt
● S2= metastabiler Punkt: kleine Temperhöhungen reichen aus um System weiter zu erhitzen
● => irgendwann kommt es zur thermischen Explosion
● Q2: es gibt auch Reaktionsmechanismen, bei denen Wärmeproduktion immer größer als Verlust ist
=> System explodiert für jede beliebige Starttemp.
61
Chemische Kettenreaktion
● Zündung ist hier nicht (direkt) von der Temperatur abhängig sondern vom Reaktionspfad
● Radikale, die in den Reaktionsschritten einer Kettenreaktion gebildet werden, bewirken letztendlich die
Zündung
Zündverzug
- Unterschied zwischen thermischer und chemischer Zündung ist die Zeit
- thermische Zündung startet sofort
- chemische Zündung braucht Zeit, da anfangs nur wenige Radikale gebildet werden
=> geringer Temperaturzuwachs
- ab bestimmter Schwelle(Beginn der Kettenverzweigung) werden immer mehr Radikale gebildet.
=> Wärmefreisetzung wird beschleunigt => Zündung
Zündverzug kann durch externe Energieeinbringung (Zündung) reduziert werden
62
Zündgrenzen / Selbstzündung / Fremdzündung
Komplexe Zündgebiete
Cool-Flame Zündung
63
Zündverzug bei der homogenen Raumzündung
Modellierung der Selbstzündung
● Gemischzusammensetzung, Temperatur und Druck wichtig => konvektiver & diffusiver Speziestransport
● einfache Berechnungsmethode der Produktion von Radikalen:
Single Step Mechanismus
- für Standardberechnungen (Diesel) sehr gut geeignet
- Konstanten müssen bei Änderung der Randbedingungen angepasst werden
- Besonderheiten wie negativer Temp.koeff. bei Cool Flame Region werden nicht abgbildet => für HCCI
ungeeignet
Shell Modell
● weit verbreitete Methode zur Modellierung der Selbstzündung
● ursprünglich zur Vorhersage des Klopfens bei Ottomotoren
● später zur Modellierung der Selbstzündung bei Dieselmotoren
● nicht für HCCI-Modellierung geeignet
● ablaufende Reaktionen lassen sich wieder in verschiedene Schritte einteilen
Modellierung der Fremdzündung
Aufgaben des Zündfunkens:
1. Aufheizen der Mischung über die 3. Explosionsgrenze => Herbeiführen einer thermischen Explosion
2. Bereitstellung hoher Radikalkonzentration für die Kettenreaktion
=> beides führt zu selbsterhaltender Flamme, die genug thermische Energie erzeugt, um sich vom
Zündpunkt in den Brennraum auszubreiten ohne zu erlöschen
64
● Modellierung der Fremdzündung ist sehr komplexer Vorgang
● oft reicht phänomenologischer Ansatz, um das „Kernel“-Wachstum zu beschreiben
● Anschließend wird die Flammenfront mit einem Verbrennungsmodell berechnet
Modellierung der ottomotorischen Verbrennung
● auch wieder Übergang des „Kernels“ zur Flammenfront (Verbrennungsmodelle) (s.o)
Flamelet-Hypothese
● Verbrennungsmodelle für vorgemischte Verbrennung in homogen betriebenen Ottomotoren basieren
häufig auf der Flamelet-Hypothese
● Flammenfront ist aufgrund der Interaktion der turbulenten Strömung gefaltet
=> die Flamme breitet sich lokal wie eine laminare Flamme aus
● Anwendung der Flamelet-Hypothese eignet sich für die Verbrennungsregime mit Ka < 1 (insbesondere
Ottomotoren)
Eddy-Breakup Modelle
● einfaches Verbrennungsmodell basierend auf der Flamelet-Hypothese
● Grundsätzliche Idee:
Verbrennungsrate (Wärmefreisetzung) wird von der Mischung (Turbulenz) und von der chemischen
Umsetzung (laminare Flamme bestimmt)
=> Beschreibung des Verbrennungsprozesses in zwei Stufen (Blizard & Keck)
1. Stufe: Eindringen von unverbranntem Kraftstoff-Luft-Gemisch in turbulente Flamme
Magnussen-Verbrennungsmodell (Ein-Schritt-Mechanismus)
● weit verbreitet
● ähnlich dem von Blizard & Keck
65
Zusammenfassung der Eddy-Breakup-Modelle
Positiv:
+ Einfache Beschreibung
+ schnelle und stabile Lösung
+ für CFD und phänomenologische Verbrennungsmodelle geeignet
Negativ:
- beruht nur auf Turbulenz: turbulente Zeitskalen haben entscheidenden Mangel: streben an Wand gegen
Null
=> führt zur physikalisch widersinnigen Annahme, dass die Brenngeschwindigkeit zur Wand hin zunimmt
- Aussagekraft beschränkt
- Kein Einfluss von Kraftstoffchemie und Mischungszusammensetzung
Modellierung der dieselmotorischen Verbrennung
Flamelet Model
66
● Mit der Flamelet-Annahme:
=> Verbrennung als eindimensionaler Prozess
=> Hängt nur noch von der lokalen Vermischungsrate ab
● Aufgrund der ein-dimensionalen Betrachtung des Flamelets
=> Separierung des 3-D-Strömungsfeldes von der Chemie der Verbrennung
Vorgehen:
Zusammenfasend sind somit 2 Schritte notwendig um das Flamelet-Konzept für nicht vorgemischte
Flammen zu applizieren:
1. Beschreibung der 1-Dimensonalen Flamelet-Struktur zur Berechnung von 𝑌𝑖 (Z)
2. Modellierung der Wahrscheinlichkeitsdichte (pdf) –funktion P(Z), welche das Vorhandensein eines
speziellen Flamelets im turbulenten Strömungsfeldes beschreibt
=> Modellierung basiert auf abstrakten mathematischen Konstrukten, welche das „Schließungsproblem“
bei der Berechnung von reaktiven Strömungen mits RANS (Reynolds-Averadeg Navier Stokes) Methoden
umgehen
Nochmal in meinen Worten:
Viele kleine laminare Flammenzonen
Diese werden durch die Mischungsrate Z charakterisiert bzw. abgeleitet daraus als Änderung der Dichte
Dies kann im vorraus berechnet werden für viele Mischungsanteile und bei verschiedenen Parametern
wie Druck, Temp, etc.
ist ein Eindimensionaler Verbrennungsprozess
=> 3-D turbulentes Strömungsfeld muss getrennt werden
=> jetzt können diese 1-D Ergebnisse in die 3-D CFD Zellen integriert werden => je nach
Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines gewissen 1-D Ergebnisses fliesen diese gewichtet ein in die 3-D
Zelle
Ausblick Emissionen
● Numerische Berechnung von Emissionen während einer Verbrennung ist sehr komplex
● Hohe Anforderungen an Rechenkapazitäten
● Chemische Bildungspfade müssen berücksichtigt werden
● Reaktionskinetik und Kopplung mit den Strömungsgrößen
● Chemische Zeitskalen viel größer als Zeitskalen der Strömung
=> Auch in absehbarer Zeit ist die numerische Berechnung von Emissionen bei der motorischen
Verbrennung nur beschränkt möglich
67
Kapitel 8: Phänomenologische Verbrennungsmodelle
Definition Phänomenologisches Modell
● Ein phänomenologisches Modell bildet ein wahrnehmbares Ereignis hinreichend gut ab, erklärt aber
nicht die dahinter liegenden Gesetzmäßigkeiten oder Zusammenhänge
● Beispiel: Wärmeleitungsgleichung bildet nur makroskopischen Vorgang ab, jedoch nicht mikroskopische
Vorgänge wie Transport der Wärme durch Elektronen
Überblick – Phänomenologische Modelle
● Modelle zur Berechnung der Verbrennung und Schadstoffbildung in Abhängigkeit physikalischer und
chemischer Phänomene wie:
- Ladungsbewegung
- Strahlausbreitung
- Gemischbildung
- Zündung
Im Brennraum: lokal unterschiedliche Temperaturen und Stoffgemische
=> räumliche (quasidimensionale) Aufteilung des Brennraums in Zonen
Ziel: Berechnung des Brennverlaufs (+Emissionen)
Abgrenzung zu 0-D und 3D-CFD Modellen
0D-Modellierung
● Betrachtete Größen nur Funktionen der Zeit, nicht des Ortes
● Ideale Durchmischung
● Empirische Ansätze für den Brennverlauf (Vibe, etc.)
● Energetische Beurteilung des Motorprozesses möglich, ohne Wissen um Strömungsfelder oder lokale
Phänomene
Phänomenologische Modellierung
● Brennraum häufig in mehrere Zonen unterteilt
● keine explizite Lösung des turbulenten Strömungsfeldes
● Modellierung der Einflüsse von Turbulenz und Strömung mit Hilfe von charakteristischen Größen
3D-CFD Modellierung
● Explizite Lösung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes
● Zunächst Berechnung der turbulenten Ladungsbewegung
● Detaillierte Simulation von Kraftstoffaufbereitung, Verbrennung und Schadstoffbildung
Entstehung
Es bestand Bedarf an einfachen Modellen, die qualitative Aussagen in frühen Phasen des
Entwicklungsprozesses ermöglichen
● CFD Modelle sind bei der Erstellung und Modellierung zu aufwendig
● Voraussagegenauigkeit der 0D-Modelle nicht ausreichend
Ableitung von den 3D CFD Modellen
68
Phänomenologische Modelle vereinen die Vorteile:
1. Geringere Rechenzeit als CFD-Modelle
2. Höhere Genauigkeit als 0D Modelle
Ladungsbewegung
Ladungsbewegung beeinflusst:
1.
2.
3.
4.
Gemischbildung (Mischung Kraftstoff – Luft)
Verbrennung (Einbringen von Kraftstoff & Luft in die Flamme)
Wandwärmeübergang (Strömung in Wandnähe)
Emissionsentstehung (Temperatur)
Für viele Brennverfahren ist der gezielte Einsatz von Turbulenz notwendig
Turbulenz entsteht durch eine Geschwindigkeitsgradienten (Scherung)
Dabei wird der Strömung Energie entzogen
Strömungsmodellierung im Zylinder
● unterschiedliche Ladungsbewegungen müssen bei Modellierung überlagert werden
● je nach Strömung/Ladungsbewegung verschiedene Aufteilung des Zylindervolumens
● Quetschströmung aus Kolbenbewegung induziert
● Drall und Tumble: aus Ladungswechsel und Kolbenbewegung
● während Kompression zunehmend mehr Interaktion von Gas mit Wand => kinetische Energie der
Ladungsbewegung dissipiert
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Vorgemischte Brennverfahren
Ausgangspunkt und Modell
● bekannte Größe/Input: Zündzeitpunkt
● Berechnung: Zündverzug und Flammenausbreitung
● Brennraum in zwei Zonen aufgeteilt:
- unverbrannt
- verbrannt
● Zwei Phasen:
- Entflammungsphase
- Hauptverbrennung
Modellvorstellung der Hauptverbrennung
● Hemisphärische Flammenfront
● Ausbreitung mit turbulenter Brenngeschwindigkeit ins Unverbrannte
● Flammenzone: Umsetzung der chemisch gebundenen Energie in Wärme
Verbrennungsablauf
zu c) :
Anfangsbedingungen für die voll turbulente Flammenausbreitung:
1% der Gesamtmasse der Ladung entflammt
Zündverzug muss berechnet werden: Zeitspanne zwischen ZZP und dem 1%-Massenumsatzpunkt;
Flamme breitet sich in dieser Zeit rein laminar aus
zu d):
𝑠𝑡 / 𝑠𝑙 : Überströmgeschwindigkeit
𝑚𝑒 ‘ : Massenstrom Eintritt in die Flammenfront
zu e):
𝑠𝑡 : turbulente Brenngeschwindigkeit
𝑚𝑣 ‘ : Massenstrom aus der Flammenzone
𝑚𝑒 ′: Massenstrom Eintritt aus der Flamenzone
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Verbrennungsablauf – Entrainment Modell
Laminare und turbulente Flammenausbreitung
Flammengeschwindigkeit: Ausbreitungsgeschwindigkeit der vorgemischten Flammenfront
Laminare Flammengeschwindigkeit 𝑠𝑙
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beeinflusst durch:
- Reaktionskinetik
- Wärmeleitungs- und Diffusionsprozesse
Turbulente Flammengeschwindigkeit 𝑠𝑡
Durch Interaktion mit der turbulenten Strömung (Wirbeln) wird die glatte laminare Flammenfront gefaltet
(„flame wrinkling)
Vorgemischte Brennverfahren – geteilter Brennraum
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Flammenfront erreicht die Überstrombohrungen  Brennbeginn Hauptbrennraum:
Übergang von fackelförmiger zu hemisphärischer flammenoberfläche
Hauptverbrennung mit voll turbulenter Flammenausbreitung
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Ausbrandphase
Nicht-vorgemischte Brennverfahren
Ausgangspunkt und Modell:



Bekannte Größen/Input: Einspritzzeitpunt und –verlauf (Rate, Winkel)
Berechnung: Strahlausbreitung, Gemischaufbereitung, Ablauf der Verbrennung
Modellvorstellung: Keulenförmige Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, verdampfen, zünden
und Verbrennung als Diffusionsflame
Modellierung des Strahlaufbruchs
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Zündverzug – Shell Modell


Reaktionskinetisches Modell mit 8 Hauptreaktionen
Zündverzug aus Reaktionskinetik berechenbar
Wärmefreisetzung
Die Umsetzungsrate wird limitiert durch:



Bereits verdampfte Kraftstoffmasse
Vorhandene Luftpumpe
Maximale chemische Umsatzrate
Wandwärmeübergang
Die Ansätze zur Berechnung des Wandwärmeübergangs aus der nulldimensionalen Berechnung
können auch für die phänomenologischen bzw. 3-D-CFD-Modelle verwendet werden.
Durch Diskretisierung des Brennraums kann die Genauigkeit des Wandwärmemodells verbessert
werden. Es können damit auch Bauteiltemperaturen abgeschätzt werden.
Emissionsentstehung
Ziel: Vorausberechnung der NOx- und/oder Rußemissionen
Basis: Modelle zur Bestimmung der Ladungsbewegung und Kalorik
NOx-Modell:


Mit Hilfe der Reaktionskinetik (starke Temperaturabhängigkeit)
Aufteilung des Brennraums in mehrere isotherme Zonen erhöht die Ergebnisqualität
77
Rußmodell:

Durch die Aufteilung des Brennraums in mehrere Zonen können fette, magere und
stöchiometrische Bereiche unterschieden werden
Zeldovich-Mechanismus
Für das Aufbrechen der Dreifachbindung des Stickstoffs ist viel Energie (Temperatur) nötig.
Zeit im Verbrennungsmotor ist für die Reaktion nicht ausreichend, um das chemische Gelichgewicht
zu erreichen  Reaktionskinetik
Die erste Reaktion ist geschwindigkeitsbestimmend
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Kapitel 9: Brennverfahrensentwicklung
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Arbeitsprozessrechnung
Ziele:



Auslegungsrechnung
Motorgrobdimensionierung
(Modellierung und Parametervariationen)
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