Thermodynamik des Verbrennungsmotors

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1 Thermodynamik des Verbrennungsmotors Ao. Univ.-Prof. A. Wimmer Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Technische Universität Graz Vorlesung Folie 1

2 Grundsätzliche Entwicklungsziele Wirkungsgrad Leistung Emissionen Folie 2

3 Der Arbeitsprozess: setzt sich zusammen aus: Ladungswechselphase Hochdruckphase Zu optimierende Vorgänge: Ladungswechsel Ladungsbewegung Gemischbildung Verbrennung und Schadstoffbildung / Reaktionskinetik Wärmeübergang Folie 3

4 Inhalt der Lehrveranstaltung Grundlagen der Verbrennung Idealprozesse Berechnungsmodelle zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses Analyse ausgeführter Motoren Folie 4

5 Allgemeines Ablauf der Vorlesung Prüfung 10 Blöcke 09:15 bis 11:45 Schriftlich / mündlich Jeweils 2 Kandidaten (ca. 1 Stunde) Prüfungstermine zumindest 1x / Monat, am Ende der Vorlesung zusätzliche Termine Vorstellung / Diskussion der Prüfungsfragen in den letzten beiden Blöcken Skriptum / Folien Gestaltung der Vorlesung Folie 5

6 Allgemeine Entwicklungsrichtung Abgasnachbehandlung Motor- Rohemissionen Kraftstoffverbrauch Ottomotor = 1 Ottomotor geschichtet > 1 DI-Dieselmotor Zielbereich Emissionen (HC, NOx, Partikel) Folie 6

7 ACEA Richtlinie bzw. EU-Ziel 1998 Flottenwert CO 2 -Flottenwerte [g/km] ACEA (140 g/km) EU-Kommission (120 g/km) Modelljahr Folie 7

8 Definition Großmotor Zylinderbohrung Kolbenhub Hubvolumen / Zylinder Effektiver Mitteldruck Drehzahl Leistung Gewicht mm mm 2, lt. bis zu 30 bar U/min kw bis zu t Folie 8

9 Anwendungsgebiete für Großmotoren Gruben- Fahrzeuge Type Liebherr T282B Motor DCC/MTU Serie V Hubraum 90l Bohrung x Hub 165 x 210 mm Leistung 2720 kw Drehzahl 1800 U/min Nennmoment Nm Antrieb diesel-elektrisch (System Siemens/Liebherr) Nutzlast 363t Zul. Gesamtgewicht 592t Muldenvolumen Fahrzeugabmessungen Geschwindigkeit 220m 3 l x b x h = 14,5 x 8,7 x 7,4 m 64 km/h Folie 9 Kraftstoffverbrauch 174 Liter Diesel pro Stunde; 4176 l pro Tag

10 Anwendungsgebiete für Großmotoren Lokomotivantrieb Mehrfachtraktion Folie 10

11 Anwendungsgebiete für Großmotoren Folie 11

12 Anwendungsgebiete für Großmotoren Energieerzeugung (Gen-Sets, BHKW) GE-Jenbacher BR 6 Zylinderzahl 20 Bohrung [mm] 190 Hub [mm] 220 Hubraum / Zyl. [dm 3 ] 6.24 Verdichtungsverhältnis 11 P el P th kw kw Drehzahl [min -1 ] 1500 Folie 12

13 Anwendungsgebiete für Großmotoren Schiffsantriebe Hauptantrieb Gesamtleistung Kraftstoff Verbrauch Hub Bohrung Hubraum / Leistung pro Zylinder Gesamthubraum (14 Zylinder) Motormasse / Masse Kurbelwelle Drehmoment Mittlere Kolbengeschwindigkeit Drehzahlbereich Motorlänge / Motorhöhe 14-Zylinder-2-Takt-Kreuzkopf-Reihenmotor Sulzer 14RT-FLex96c kw ( PS) Schweröl 171 g/kwh ( lt./h) 2500mm 960mm 1820 lt. / (5720 kw) 7780PS pro Zylinder lt t / 300 t Nm bei 102 U/min 8,5 m/s U/min 29,6m / 14,6m Folie 13

14 Entwicklungsziele Folie 14

15 Entwicklungsziele Folie 15

16 NO x -Emissionsgrenzwerte SI lean burn NG engines (> 1 MW (2) ) EU directive 2010/75/EU US locomotive (Tier 2 Tier 4) 7.4 (2010) CI Diesel engines (< 3 MW (1) ) 1000 [mg/m n3 ] TA Luft Gothenburg Protocol 500 CI DF NG engines (> 5 MW (2) ) (2000) IMO n = /min (Tier 1 Tier 3) 8.98 (2011) 2.26 (2016) 0.67 (2011) 7,4 (2012) 1.7 (2015) 0.67 (2015) 4 (5) (2012) 7.4 (4) (2009) [g/kwh] 9.5 (3) (2003) EU locomotive (UIC II, EU Stage III A und B) CI Diesel engines ( 3 MW* / > 5 MW (2) ) 9.2 (2007) US Diesel gensets (P > 3000 hp; D < 10l/cyl) (1) TA Luft (2) Gothenburg Protocol (3) P > 560 kw; n > /min (4) P > 2000 kw; D > 5 l/cyl. (5) HC+NOx; P > 130 kw Folie 16

17 Partikelgrenzwerte US locomotive (Tier 2 Tier 4) 0.04 (2015) 0.13 (2010) 0.13 (2012) (3) (2012) 0.1 (2011) 0.2 (2) (2009) 0.54 (2007) 0.25 (1) (2003) US Diesel gensets (P > 3000 hp; D < 10l/cyl) 0.03 (2015) EU locomotive (UIC II, EU Stage III A and B) (1) P > 560 kw; n > /min (2) P > 560 kw (3) P > 130 kw Folie 17

18 Entwicklung Wirkungsgrad und Mitteldruck GE Jenbacher Baureihe J624 TSTC6 V24 h = Zylinder 6,24 l/zylinder n V h = ,24 l/zylinder 1/min 2-stufige Aufladung P el = 4,4 MW Eff. Wirkungsgrad [%] Eff. Mitteldruck [bar] Entwicklung Wirkungsgrad Entwicklung Mitteldruck Folie 18

19 Wirkungsgrad [%] Aktuelle Gas- und Dieselmotoren TA Luft Vorkammer- Gasmotoren Gasmotoren mit offenem Brennraum Dieselmotoren US EPA Tier 2 Lokomotive * n = /min IMO Tier 2* NO x [g/kwh] Folie 19

20 Verlustanalyse Umsetzungsverluste Reale Verbrennung Wärmeübergang Ladungswechsel Reibung Effektiver Wirkungsgrad Wirkungsgrad des vollkommenen Motors Wirkungsgrad V [%] Verdichtungsverhältnis [-] 4 2 1,4 1 Folie 20

21 Analyse der Wirkungsgradunterschiede 10 Umsetzungsverluste Reale Verbrennung Wärmeübergang Ladungswechsel Reibung Effektiver Wirkungsgrad Wirkungsgrad des vollkommenen Motors Lokales Luftverhältnis [-] 1 0, Gas Ruß NO x Lokale Flammentemperatur [K] Folie 21

22 Analyse der Wirkungsgradunterschiede 62% Umsetzungsverluste Reale Verbrennung Wärmeübergang Ladungswechsel Reibung Wirkungsgrad des vollkommenen Motors Effektiver Wirkungsgrad Verbrennungsverluste und Verluste durch Ladungswechsel Mechanische Verluste Wirkungsgrad [%] 58% 54% 50% 46% 42% 38% 34% Dieselmotor Gasmotor mit offenem Brennraum Vorkammer- Gasmotor Folie 22

23 Wirkungsgrad / Hubvolumen Verdichtungsverhältnis = 12 Luftverhältnis = ,15 Vollkommener Motor 50 0,12 Wirkungsgrad [%] η i,hochdruck Umsatzverlust Verluste durch reale Verbrennung Wandwärmeverluste 0,09 0,06 O/V [-] 10 O/V 0, Hubvolumen / Zylinder [l] Folie 23

24 Opt. Schwerpunktlage / Hubvolumen KW Wirkungsgradoptimale Schwerpunktlage Hubvolumen / Zylinder [l] Folie 24

25 Optimales / Hubvolumen Indizierter Wirkungsgrad i,hd [%] ηi,hd Optimaler Bereich Vh = 0,5 l/zyl. Optimaler Bereich Vh = 2 l/zyl. Optimaler Bereich Vh = 3 l/zyl. Optimaler Bereich Vh = 6 l/zyl. Optimaler Bereich Vh = 15 l/zyl Verdichtungsverhältnis [-] Folie 25

26 1. Grundlagen der Verbrennung Alternative Verbrennungsverfahren Nadelhub [mm] Diesel HCCI HCLI HPLI DCCS Brennrate [J/ KW] Kurbelwinkel [ KW] Folie 26

27 Alternative Verbrennungsverfahren 1. Grundlagen der Verbrennung HCLI Einfluss des Luftverhältnisses Brennrate [J/ KW] n=2000 min -1, pi=6 bar EGR=55% =1.2 EGR=60% =1.1 EGR=65% = [ KW] EGR=55% =1.2 RW=0.13 EGR=60% =1.1 RW=0.18 EGR=65% =1.0 RW=0.01 Folie 27

28 1. Grundlagen der Verbrennung Alternative Verbrennungsverfahren Wirkungsgrade, Verluste % Theoretischer Wirkungsgrad: 56,65% 50,91% 56,59% 58,42% 62,58% 0,25% 2,03% 1,50% 6,80% 2,45% 1,00% 3,93% 4,73% 4,15% 9,82% 2,29% 8,94% 6,14% 8,50% 10,87% 42,35% 41,48% 40,01% 43,25% 44,66% Benzin DGI strahlgeführt = 11,7 V H = 0,5 dm 3 n = 2000 min -1 p i = 3 bar Benzin HCCI = 11,1 Diesel HCCI = 13,0 Verluste durch Unverbranntes Verluste durch reale Verbrennung Wandwärmeverluste Ind. Wirkungsgrad (HD) Diesel HCLI = 14,0 Diesel konv. = 17,4 Folie 28

29 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Wirkungsgrad e ist bestimmt durch: Gemischheizwert H G ist bestimmt durch: Luftaufwand a ist bestimmt durch: Umsetzungsverluste Verbrennungsverluste Verluste durch Wärmeübergang Ladungswechselverluste Mechanische Verluste Heizwert H u Luftverhältnis Luft / Gemischansaugender Motor Strömungswiderstände im Ansaugsystem und am Ventil Ventilüberschneidung, Spülverluste Wärmeaustausch mit den Zylinderwänden und Ansaugkanal Füllungsregelung (bei Ottomotoren übliche Regelung): e Veränderung von Liefergrad a durch Drosselklappe bei gleichbleibendem Luftverhältnis Gemischregelung (bei Dieselmotoren übliche Regelung): Veränderung der Einspritzmenge (Luftverhältnis und Gemischheizwert) bei gleichbleibendem a p m p me λ a λ a H H G G η e e Folie 29

30 1. Grundlagen der Verbrennung Wasserstoff - Verbrennungsmotor Gemischheizwerte Gemischheizwert H G, H G [MJ/m3] Methanol Ethanol Erdgas Ottokraftstoff Diesel Methan p i = a x H G x i Stöchiometr. Luftbedarf L St [kg/kg] 15 % Gemischansaugend Luftansaugend 42 % Wasserstoff Folie 30

31 1. Grundlagen der Verbrennung Wasserstoff - Verbrennungsmotor H 2 spezifische Verbrennungsprozesse Conditions: = 1 n = const. e = const. T = const. Fuel Gasoline Hydrogen Hydrogen Hydrogen Concept Port Injection Port Injection Direct Injection Supercharged Direct Injection Mixture Calorific Value [MJ/m 3 ] circa 7.8 Power Output [%] (Compared to Gasoline) circa 200 Folie 31

32 Inhalt der Lehrveranstaltung Grundlagen der Verbrennung Idealprozesse Berechnungsmodelle zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses Analyse ausgeführter Motoren Folie 32

33 Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Luftbedarf und Luftverhältnis Gemischheizwert Chemisches Gleichgewicht Zusammensetzung und Stoffgrößen des Verbrennungsgases Umsetzungsgrad Reaktionskinetik Zündprozesse Flammenausbreitung Brennstoffzelle Folie 33

34 Inhalt der Lehrveranstaltung Grundlagen der Verbrennung Idealprozesse Berechnungsmodelle zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses Analyse ausgeführter Motoren Folie 34

35 Vereinfachter Vergleichsprozess Folie 35

36 Vereinfachter Vergleichsprozess Folie 36

37 Inhalt der Lehrveranstaltung Grundlagen der Verbrennung Idealprozesse Berechnungsmodelle zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses Analyse ausgeführter Motoren Folie 37

38 Analyse und Simulation Null- und quasidimensionale Modellierung Eindimensionale Modellierung des Ladungswechsels 3D CFD-Simulation Koppelung von Berechnungsmodellen Folie 38

39 Motorprozessrechnung 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Grundgleichungen Der Brennraum stellt ein instationäres, offenes System dar, in dem alle Größen zeitlich wie örtlich stark veränderlich sind. Prozesse während eines Arbeitsspiels: Stofftransport über die Systemgrenzen Einströmende Gasmasse dm e Ausströmende Gasmasse dm a Leckage dm Leck Brennstoffmasse dm B Energietransport Zugeführte Brennstoffwärme dq B Abgabe von Wärme und Arbeit (dq W, dw) vom Arbeitsgas Änderung der inneren und äußeren Energien Folie 39

40 Motorprozessrechnung 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Energieerhaltung Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik für offene Systeme gilt für den Brennraum: p d V d d QB d d Q d m d m d m d U d W E A Leck he ha ha d d d d Volumsänderungs Brennverlauf Wandwärmearbeit strom Heizverlauf Massenstromenthalpie Leckagemasse innere Energie Volumenänderungsarbeit: abgegebene technische Arbeit, die sich als Produkt aus dem momentanen Zylinderdruck und der Änderung des Zylindervolumens ergibt. Heizverlauf (zugeführte Wärme): Diese setzt sich zusammen aus der freigesetzten Brennstoffwärme, dem Brennverlauf sowie der abgeführten Wandwärme. Enthalpieströme von ein- und ausströmender Masse sowie der Leckage: äußere Energien sowie die Enthalpie der bei luftansaugenden Motoren zugeführten Brennstoffmasse werden vernachlässigt Änderung der inneren Energie im Brennraum Folie 40

41 Brennverlaufsbestimmung Folie 41

42 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Null- und quasidim. Modellierung Analyse geg.: p() ges.: dq B d geg.: dq B d ges.: p(), T() Simulation Folie 42

43 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Null- und quasidim. Modellierung Energieerhaltung Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik für offene Systeme gilt für den Brennraum: p d V d d QB d d Q d m d m d m d U d W E A Leck he ha ha d d d d Volumsänderungs Brennverlauf Wandwärmearbeit strom Heizverlauf Massenstromenthalpie Leckagemasse innere Energie Volumenänderungsarbeit: abgegebene technische Arbeit, die sich als Produkt aus dem momentanen Zylinderdruck und der Änderung des Zylindervolumens ergibt. Heizverlauf (zugeführte Wärme): Diese setzt sich zusammen aus der freigesetzten Brennstoffwärme, dem Brennverlauf sowie der abgeführten Wandwärme. Enthalpieströme von ein- und ausströmender Masse sowie der Leckage: äußere Energien sowie die Enthalpie der bei luftansaugenden Motoren zugeführten Brennstoffmasse werden vernachlässigt Änderung der inneren Energie im Brennraum Folie 43

44 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Wärmeübergang 2000 G x K Arbeitsgas Q W G A (T G T WG ) Temperatur [ K ] T G q W Brennraumwand Q w s A (T WO T WK ) Wärmeübergangskoeffizient [W/m K] T WO T WK T ~ konst K Kühlmedium Q W K A (T K T WK ) Kurbelwinkel [ KW ] G ~ konst Arbeitsgas Brennraumwand K Kühlmedium Folie 44

45 1D-Ladungswechselrechnung Folie 45

46 Simulations-DoE Eingangsparameter Simulationsplan (DoE) DoE-Funktional Suche des Optimums mit vorgegebenen RB 1D-Motorprozesssimulation Modelle für Brennrate, NOx und Klopfen Folie 46

47 Kopplung 3D-CFD/FEM Gekoppelte FEM/CFD Simulation Berechnungsschritt Motorprozessrechnung T Gas Gas FEM T Wand Ergebnisse JA Konv.? NEIN T Fluid Fluid Berechnungsschritt Datentransformation T Wand T Fluid Fluid Berechnungsschritt 3D CFD Folie 47

48 Inhalt der Lehrveranstaltung Grundlagen der Verbrennung Idealprozesse Berechnungsmodelle zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses Analyse ausgeführter Motoren Folie 48

49 4. Analyse ausgeführter Motoren Methodik Verlustanalyse i v Δ g Δ g Δ rl Δ uv Δ rv Δ Ww Δ Leck Δ Ü Δ LW Δ m Symbol Bezeichnung Beschreibung rl Verlust durch reale Ladung Verlust durch den Einfluss des Ladungszustandes uv Umsetzungsverlust Verlust durch unvollkommene Verbrennung rv Verbrennungsverlust Verlust durch realen Verbrennungsablauf Ww Wandwärmeverlust Verlust Wärmeübergang an Brennraumwände Leck Leckageverlust Verlust durch Leckage Ü Überströmverlust Verlust durch Überströmen zw. Haupt- und Nebenbrennraum bei Kammermotoren LW Ladungswechselverlust Verlust durch realen Ladungswechsel m Mechanische Verluste Verlust durch mechanische Reibung Folie 49