Simulation des motorischen Innenprozesses

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1 Simulation des motorischen Innenrozesses Nocke, J., Lehrstuhl für Technische Thermodynamik Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

2 Gliederung des Vortrages 1. Einleitung und Motivation. Physikalisch-emirische Gleichungsansätze 3. Modellansätze Nulldimensionale thermodynamische Modelle Zweizonenmodelle und hänomenologische Mehrzonenmodelle Dreidimensionale Modelle 4. Zusammenfassung und Ausblick Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

3 1. Mögliche Zielsetzungen der Verbrennungsrozessrechnungen Otimierung des Verbrennungsvorganges zur: Wirkungsgraderhöhung (Verminderung des CO-Ausstoßes) Minderung der Schadstoffemission (NOx, CO, CH) Einsatz sinnvoller Materialen (z.b. Stahl oder Aluminium für den Kolben) Lebensdauer Fahrzeuggewicht Bestimmung hysikalischer Zustandsgrößen (instationär,dreidimensional) Prozesstemeratur Abgastemeratur Wärmeübertragungskoeffizient Wärmestrom Brennverlauf Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

4 . Gleichungsansätze Bilanzgleichungen Zustandsgleichungen Transortgleichungen Chemische Reaktionskinetik Turbulenzmodelle Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

5 Bilanzgleichungen Energiebilanz du dt dv = Q & W + H& zu H& ab dt + m& B H u Massenbilanz dm dt = i & m i Imulsbilanz d( mc) dt = ( mc) + i i j F j Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

6 Kontinuität: Bilanzgleichungen für CFD Imuls: Enthalie: Komonenten: Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

7 Idealgas: Thermische Zustandsgleichungen V = mrt Realgasansatzes nach Zacharias : T = R *[18, ,58*10 1,68*10 + (1 6 R)[38, ,188*10 9,435*10 ( 8 0 *( ) 5,55*10 0 ) 1,*10 * * v * * v + + 1,78*10 )* * v],66*10 )* * v] Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT *( ( * 10 gilt für tyische CH-Verhältnisses (Benzin, DK) Wasserluftgehalt wird nicht berücksichtigt Dissoziation wird berücksichtigt * * v * v

8 Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT- Energetische Zustandsgleichungen ), ( v u = u m N 5*10 ] * )* *( 1,404*10 ) *( 4,4*10 371,074 *,391371* * * )*[1,560734*10 (1 ] * )* ( 5,541*10 ) ( 1,60734* ,1634 *, * * * [1,033011*10 = = mit v v v R v v v R u (ebenfalls Ansatz nach Zacharias) R u, v u, u, Zur Berechnung von u

9 Transortgleichungen der Wärme Wärmeleitung: Q& = λ * A* grad( T ) (Fourier) Wärmeübergang: Q& W = α * A*( TW TBrenngas ) (Newton) Wärmestrahlung: E& = s E& s ( T, λ) e& λ = 5 λ e 1 Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT- C c 1 λt (Max Planck )

10 α Bestimmung nach Woschni : α = 0, 0,53 0,8 Vh * T1 W 0,013D * T * *( C1cm + C ( 0) ) [ V * m K 1 1 ] Berücksichtigt sowohl konvektive turbulente Vorgänge in der Grenzschicht als auch Strahlungsvorgänge Basiert auf Ähnlichkeitsbetrachtungen und Messungen Variiert für unterschiedliche Motorentyen und für Motorzyklen Dieser halbemirische Ansatz ist zur Zeit am weitesten verbreitet. Weitere auch moderne Ansätze nach Bargende, Hohenberg, Nusselt, Eichelberg, usw. Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

11 Q& W = α * A*( TW TBrenngas ) Bestimmung der Wandtemeratur: Aufdamfen von Oberflächen-Thermoelementen (ca. 1µm Schichtdicke) Bestimmung unktueller, zeitlich variierender Temeraturverläufe auf Kolben, Buchse, Zylinderkof Elektrische Signale müssen über Schwinge abgeführt werden Sezielles technologisches Wissen notwendig Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

12 Beisiel für Oberflächentemeraturverläufe auf einem Kolben 350 M10r 35 n = 1600 min -1 i = 5.08 bar O5 O7 O6 M9r O8 M5r Temeratur [ C] O O4 O3 O8 O7 O6 M5 5 O1 O O5 M 9,10 O3 O Quelle: Prof. K. Prescher, A. Polej, O O5 O8 O4 O7 O3 O KW (180 = ZOT) KW (180 = ZOT) Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT- O6 M9 O1 n = 1600 min -1 i = bar

13 Turbulenzroblematik DNS: Direkte Numerische Simulation, Lösung der Navier-Stokes- Gleichungen LES: Large-Eddy-Simulation, nur große Wirbel werden mittels Navier-Stokes-Gleichungen gelöst, kleine Wirbel werden modelliert RANS: Reynolds Average Navier Stokes, turbulente Wirbel werden gemittelt und über eine Verteilungsfunktion erfasst, zusätzliche Modellansätze sind notwendig: nichtlineares Reynoldssannungsmodell k-ε-modell k-ω-modell Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

14 Chemiemodell Stöchiometrische Verbrennung: C x H y O z ( y z y y z + x + )( O +,76N) xco + H O + 3,76( x + ) 4 4 N Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

15 Chemiemodell Bis zu 3000 unterschiedliche Reaktionen Wichtigste Reaktionen nach Semonov: RH + O R& + HO & Kettenstart R + O Olefin + HO & Kettenfortflanzung R + O RO & RO & + RH ROOH + R& RO & R CHO + R O& HO & + RH H O + R& ROOH RO & + OH & Kettenverzweigung R CHO + O R CO & + HO & RO & Auflösung Kettenabbruchreaktion Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

16 Reaktionskinetik Konzentrationsänderung des Stoffes A: da dt a k.. Geschwindigkeitskoeffizient = ka a.. Reaktionsordnung, unterschiedliche Zeitgesetze der Konzentrationsänderung Geschwindigkeitskoeffizient (Arrhenius-Ansatz): k = Ae E RT Gleichgewichtskonstante: K C s k = r k E.. Aktivierungsenergie T.. Temeratur R.. molare Gaskonstante A.. Konstante Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

17 Verbrennungsmodelle Nulldimensionale thermodynamische Modelle Phänomenologische Mehrzonenmodelle Dreidimensionale Modelle Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

18 Nulldimensionale thermodynamische Modelle (Einzonenmodell) Homogenes System (ideal durchmischter Behälter), keine räumliche Auflösung von Druck,Temeratur, usw. Lösung mittels zeitabhängiger Differentialgleichungen Physikalische Ansätze sind Massenbilanz, Energiebilanz, Zustandsgleichungen, Modelle für den Wärmeübergang Nicht geeignet für Schadstoffbildungsrozesse, Bestimmung lokaler Eigenschaften Geeignet für Bewertung großer Messdatenreihen, Einordnung des Modells in komlexe Gesamtsysteme (Simulation von Energieanlagen) Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

19 Phänomenologische Mehrzonenmodelle (Zwei- und Mehrzonenmodell) Unterteilung des Brennraumes in zwei oder mehrere homogene Gebiete geeignet für Schadstoffbildungsrozesse, bedingte Bestimmung lokaler Eigenschaften Relativ günstiges Verhältnis von Rechenaufwand und Ergebnisqualität Detaillierte Versuchsauswertung, Parameterstudien Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

20 Phänomenologische Mehrzonenmodelle Quelle: G. P. Merker, C. Schwarz, Technische Verbrennung Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

21 Zweizonenmodell Quelle: R. Pischinger, u.a. Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschinen Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

22 Zweizonenmodell für Vorkammermotoren Quelle: R. Pischinger, u.a. Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschinen Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

23 Mehrzonenmodell, Modellierung des Einsritzstrahls Quelle: Dr. K. Michels, Promotion, Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

24 Dreidimensionale Modelle Berechnung dreidimensionaler Strömungsfelder inkl. Modellierung der Verbrennungsvorgänge (CFD) Kommerzielle Codes: Fire, Star-CD, universitäre Codes Aufteilung des zu modellierenden Raumes in viele kleine Volumeneinheiten (heute bis zu 1... Millionen, Rechenzeit: Stunden bis Tage) Berücksichtigung beweglicher Oberflächen (Kolben, Ventile) hoher Validierungsaufwand, komlizierte Handhabung, hoher Aufwand für Gittererstellung Einsatz: Otimierung von Brennverfahren,Wissenschaft Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

25 Dreidimensionales Modell am Beisiel einer Vorkammer Gitter Temeraturfeld Quelle: Prof. Hassel, E. Sixel, Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

26 Dreidimensionales Modell am Beisiel eines Brenners Gitter Geschwindigkeitsfeld Quelle: Prof. E. Hassel, Dr. J. Nocke, E. Sixel, Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

27 Vergleichende Betrachtungen der Modelle Modelle in Indiziersystemen Mehrzonenmodell Einzonenmodell CFD-Modelle Zustandsgleichungen Idealgas Realgas Realgas Realgas Wärmeübertragung Halbemirische Ansätze für Ottomotor, Dieselmotor,etc Halbemirische Ansätze für Ottomotor, Dieselmotor,etc Grenzschichtmodelle, Turbulenzmodelle Zonenzahl Eine Zone Eine Zone bis mehrere hundert Zonen bis zu Zonen Reaktionskinetik Einfache Umsatzgleichung Einfache Umsatzgleichung Komlexe Ansätze möglich tausende chem. Gleichungen Rechenzeit >1 sec ro Zyklus >1 min ro Zyklus Minutenbereich Stunden bis Tage Einsatzbereich Messwertverarbeitung, Diagnose, Regelung, Brennverfahrensentwicklung Messwertverarbeitung, Diagnose Brennverfahrensentwicklung, Grundlagenforschung Brennverfahrensentwicklung, Regelung Verbrennungsrozessrechnung-ASIM 003 LTT-

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