Verb re n n u ng sm oto re n

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1 Günter Merker, Christian Schwarz, Gunnar Stiesch, Frank Otto Verb re n n u ng sm oto re n Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung 2., vollständig neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 245 Abbildungen und 15 Tabellen Teubner B. G. Teubner. Leipzig. Wiesbaden

2 Inhaltsverzeichnis Abkürzungen und Formelzeichen XI1 1 Einleitung 1.1 Vorbemerkungen 1.2 Modellbildung 1.3 Simulation 2 Einführung in die Funktionsweise von Verbrennungsmotoren 2.1 Energiewandlung 2.2 Hubkolbenmotoren Der Kurbeltrieb Gas- und Massenkräfte Arbeitsverfahren 2.3 Thermodynamik des Verbrennungsmotors Grundlagen Geschlossene Kreisprozesse Offene Vergleichsprozesse 2.4 Kenngrößen und Kennwerte 2.5 Motorenkennfelder 2.5.i Ottomotoren Dieselmotoren 2.6 Aufladung Aufladeverfahren Mechanische Aufladung Abgasturbo-Stauaufladung Abgasturbo-Stoßaufladung 3 Grundlagen der Reaktionskinetik 3.1 Chemisches Gleichgewicht 3.2 Reaktionsgeschwindigkeit 3.3 Partielles Gleichgewicht und Quasi-Stationarität 3.4 Brennstoffe Chemischer Aufbau Physikalisch-chemische Eigenschaften 3.5 Oxidation von Kohlenwasserstoffen

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Motorische Verbrennung 4.1 Ottomotor Gemischbildung Zündung Verbrennungsablauf Abnormale Verbrennung 4.15 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 5.1 Dieselmotorische Verbrennung Nulldimensionale Brennverlaufsfunktion Stationärer Gasstrahl Paket-Modelle Zeitskalen-Modelle 5.2 Ottomotorische Verbrennung 6 Schadstoffbildung 6.1 Abgaszusammensetzung 6.2 Kohlenmonoxid (CO) 6.3 Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) Limitierte Schadstoffkomponenten Nicht limitierte Schadstoftkomponenten 6.4 Partikelemission beim Dieselmotor Einführung Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Entstehung von Ruß Modellierung der Partikelemission 6.5 Stickoxide Thermisches NO Prompt-NO Über N2O erzeugtes NO Brennstoff-Stickstoff

4 Inhaltsverzeichnis IX 7 Reale Arbeitsprozessrechnung 7.1 Ein-Zonen-Zylinder-Modell Grundlagen Mechanische Arbeit Ermittlung des Massenstroms durch die Ventile I Ventilhubkurven Wärmeübergang im Zylinder Wärmeübergang im Auslasskrümmer Wandtemperaturmodelle Brennverlauf Klopfende Verbrennung Innere Energie 7.2 Zwei-Zonen-Zylinder-Modell Modellierung des Hochdruckteils nach Hohlbaum Modellierung des Hochdruckteils nach Heider Ergebnisse der NO,-Berechnung mit Zwei-Zonen-Modellen Modellierung des Ladungswechsels beim 2-Takt-Motor 7.3 Modellierung des Gaspfades Modellierung peripherer Komponenten Modellbildung Integrationsverfahren 7.4 Gasdynamik Grundgleichungen der eindimensionalen Gasdynamik Numerische Lösungsverfahren Randbedingungen 7.5 Aufladung Strömungsverdichter Verdrängerlader Strömungsturbine Abgasturbolader Ladeluftkühlung 8 Gesamtprozessanalyse 8.1 Allgemeines 8.2 Thermisches Motorverhalten Grundlagen Modellierung der Rohrleitungssystems Kühlkreislauf Ölkreislauf Physikalische Eigenschaften von Öl und Kühlwasser 8.3 Motorreibung Reibungsansatz für den betriebswarmen Motor Reibungsansatz für den Warmlauf

5 X Inhaltsverzeichnis 8.4 Motorsteuerung/Regelung PID-Regler Lastregelung Verbrennungsregelung Regelung der Abgasrückführung Regelung am Aufladeaggregat Fahrregler 8.5 Darstellung des Motors als Kennfeld Vorgehensweise und Randbedingungen Rekonstruktion des Drehmomentenverlaufs 8.6 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 8.7 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 9 Strömungsmechanische Simulation 9.1 Dreidimensionale Strömungsfelder Strömungsmechanische Grundgleichungen Turbulenz und Turbulenzmodelle Numerik Rechennetze Beispiele 9.2 Simulation von Einspritzprozessen Einzeltropfenprozesse Strahlstatistik Probleme des Standard-Strahlmodells Lösungsansätze 9.3 Simulation der Verbrennung Allgemeines Vorgehen Diesel-Verbrennung

6 Inhaltsverzeichnis XI Homogener Benzin-Motor (Vormischverbrennung) Benzinmotor mit Ladungsschichtung (Teilweise vorgemischte Flammen) 388 Literatur 391 Stichwortverzeichnis 400