Günter Merker, Christian Schwarz, Gunnar Stiesch, Frank Otto. Verbrennungsmotoren. Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung

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1 Günter Merker, Christian Schwarz, Gunnar Stiesch, Frank Otto Verbrennungsmotoren Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung 3., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 245 Abbildungen und 15 Tabellen Teubner

2 Abkürzungen und Formelzeichen XII 1 Einleitung l 1.1 Vorbemerkungen Modellbildung Simulation 3 2.Einführung in die Funktionsweise von Verbrennungsmotoren Energiewandlung Hubkolbenmotoren Der Kurbeltrieb Gas-und Massenkräfte Arbeitsverfahren Thermodynamik des Verbrennungsmotors Grundlagen Geschlossene Kreisprozesse Offene Vergleichsprozesse Kenngrößen und Kennwerte Motorenkennfelder Ottomotoren Dieselmotoren Aufladung Aufladeverfahren Mechanische Aufladung Abgasturbo-Stauaufladung Abgasturbo-Stoßaufladung 42 3 Grundlagen der Reaktionskinetik Chemisches Gleichgewicht Reaktionsgeschwindigkeit Partielles Gleichgewicht und Quasi-Stationarität Brennstoffe Chemischer Aufbau Physikalisch-chemische Eigenschaften Oxidation von Kohlenwasserstoffen 58

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Motorische Verbrennung Ottomotor Gemischbildung Zündung Verbrennungsablauf Abnormale Verbrennung Kontrollierte Selbstzündung 4.2 Dieselmotor Einspritzverfahren und -Systeme Gemischbildung Selbstzündung Verbrennungsablauf Homogene Verbrennung 4.3 Druckverlaufsanalyse Bestimmung des Brennverlaufs Verlustteilung Vergleich unterschiedlicher Brennverfahren 5 Phänomenologische Verbrennungsmodelle Dieselmotorische Verbrennung Nulldimensionale Brennverlaufsfunktion Stationärer Gasstrahl Paket-Modelle Zeitskalen-Modelle 113 ' 5.2 Ottomotorische Verbrennung Schadstoffbildung Abgaszusammensetzung Kohlenmonoxid (CO) Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) Limitierte Schadstoffkomponenten Nicht limitierte Schadstoffkomponenten Partikelemission beim Dieselmotor Einführung Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Entstehung von Ruß Modellierung der Partikelemission Stickoxide Thermisches NO Prompt-NO 142 v Über N 2 O erzeugtes NO Brennstoff-Stickstoff

4 IX 7 Reale Arbeitsprozessrechnung Ein-Zonen-Zylinder-Modell Grundlagen Mechanische Arbeit Ermittlung des Massenstroms durch die Ventile / Ventilhubkurven Wärmeübergang im Zylinder Wärmeübergang im Auslasskrümmer Wandtemperaturmodelle Brennverlauf Klopfende Verbrennung Innere Energie Zwei-Zonen-Zylinder-Modell Modellierung des Hochdruckteils nach Hohlbaum Modellierung des Hochdruckteils nach Heider Ergebnisse der NO x -Berechnung mit Zwei-Zonen-Modellen Modellierung des Ladungswechsels beim 2-Takt-Motor Modellierung des Gaspfades Modellierung peripherer Komponenten Modellbildung Integrationsverfahren Gasdynamik Grundgleichungen der eindimensionalen Gasdynamik Numerische Lösungsverfahren Randbedingungen 210, 7.5 Aufladung Strömungsverdichter Verdrängerlader Strömungsturbine Abgasturbolader Ladeluftkühlung Gesamtprozessanalyse Allgemeines Thermisches Motorverhalten Grundlagen Modellierung des Rohrleitungssystems Kühlkreislauf Ölkreislauf Physikalische Eigenschaften von Öl und Kühlwasser Motorreibung Reibungsansatz für den betriebswarmen Motor 261 V Reibungsansatz für den Warmlauf 262

5 8.4 Motorsteuerung/Regelung PID-Regler Lastregelung Verbrennungsregelung Regelung der Abgasrückführung Regelung am Aufladeaggregat Fahrerregler Darstellung des Motors als Kennfeld Vorgehensweise und Randbedingungen Rekonstruktion des Drehmomentenverlaufs Stationäre Simulationsergebnisse (Parametervariationen) Lastvariation beim gedrosselten Ottomotor Einfluss von Zündung und Brenndauer Variation von Verdichtungsverhältnis, Last und Spitzendruck am Großdieselmotor Untersuchungen zu vollvariablen Ventiltrieben Variation der Saugrohrlänge und der Ventilsteuerzeiten (Ottomotor, Volllast) Abgasrückführung bei einem abgasturboaufgeladenen Pkw-Dieselmotor Umblasen beim Großdieselmotor Transiente Simulationsergebnisse Lastaufschaltung beim Generatormotor Beschleunigung eines NFZ von 0 auf 80 km/h Eingriffsmöglichkeiten am Abgasturbolader Teillast im ECE-Zyklus Warmlauf im ECE-Zyklus Volllast-Beschleunigung bei turboaufgeladenen Ottomotor Strömungsmechanische Simulation Dreidimensionale Strömungsfelder Strömungsmechanische Grundgleichungen Turbulenz und Turbulenzmodelle Numerik Rechennetze Beispiele Simulation von Einspritzprozessen Einzeltropfenprozesse Strahlstatistik Probleme des Standard-Strahlmodells Lösungsansätze Simulation der Verbrennung Allgemeines Vorgehen Diesel-Verbrennung 364

6 XI Homogener Benzin-Motor (Vormischverbrennung) Benzinmotor mit Ladungsschichtung (Teilweise vorgemischte Flammen) 389 Literatur 392 Stichwortverzeichnis 401