Objektorientierte Prozessrechnung von Verbrennungsmotoren

Abstract

Ein hochgradig modular gestalteter Ansatz zur objektorientierten Modellierung innermotorischer Vorgänge von Verbrennungsmotoren wird vorgestellt. Dieser kann als reine Stand-Alone-Prozessrechnung genutzt werden, ebenso kann er den Hochdruckteil in 1-D-Strömungssimulationstools ersetzen oder in ähnliche Programme integriert werden. Den Anforderungen Flexibilität und Erweiterbarkeit wurde große Bedeutung zugemessen, um für vielfältige heutige und zukünftige Anwendungen möglichst gut vorbereitet zu sein. Für die Berechnung der Differenzenquotienten wird eine analytische Lösung angegeben, die auch für den n-zonigen Fall geeignet ist. Zudem können beliebig viele thermodynamische Systeme gleichzeitig berechnet werden. Es wird ein Algorithmus vorgeschlagen, der eine sehr schnelle Berechnung des chemischen Gleichgewichtszustands im Brennraum ermöglicht. Darauf aufbauend wird ein Komponentenansatz zur Berechnung von spezifischer Enthalpie und individueller Gaskonstante des Rauchgases beliebiger Kraftstoffe vorgestellt. Die Ergebnisse werden mit bekannten Ansätzen nach de Jaegher und Zacharias verglichen. Die Sensitivität des Ansatzes wird untersucht. Eine Gleichung für den Umsetzungswirkungsgrad der Verbrennung als Funktion von Temperatur, Druck und Luftverhältnis wird hergeleitet. Diese wird mit der bekannten Näherungsgleichung nach Vogt verglichen. Eine verbesserte Näherungsgleichung wird angegeben. Diskutiert werden zwei Varianten zur korrekten Behandlung von fetter Verbrennung und sekundärer Oxidation in Umsetzungswirkungsgrad und Kalorik. Hier muss zwischen Brennstoffmassenumsatz und tatsächlicher Wärmefreisetzung unterschieden werden. Ein Brennverlauf aus einzoniger Rechnung ist u.a. aufgrund der Nichtlinearität der Kalorik stets von einem zwei- oder mehrzonigen Brennverlauf zu trennen. Zur Arbeitsprozessrechnung von gemischansaugenden Ottomotoren wurde ein quasidimensionales Entrainment-Verbrennungsmodell implementiert. Eine ein- oder mehrzonige Druckverlaufsanalyse wird als Untermodell der Arbeitsprozessrechnung realisiert. Dadurch nutzen Druckverlaufsanalyse und Arbeitsprozessrechnung einen fast identischen Quelltext und werden wartungsfreundlicher und fehlersicherer. Es wird möglich, in der Druckverlaufsanalyse einen negativen Brennverlauf, "inverse Verbrennung" genannt, zu unterdrücken. Vor- und Nachteile der inversen Verbrennung werden diskutiert. Es wird die Auswirkungen der vielfältigen Modellparameter und Modellierungsvarianten auf den Hochdruckteil sowohl bei der Arbeitsprozessrechnung als auch bei der Druckverlaufsanalyse detailliert untersucht. Abschließend wird die Flexibilität und Vielseitigkeit des gesamten Modellierungsansatzes an den Beispielen eines Freikolben-Linearmotors und eines 4-Zylinder-Ottomotors mit Ladungswechsel nach der Füll- und Entleermethode unter Berücksichtigung der Zylinderquerbeeinflussung demonstriert.

A profoundly modular designed concept for object-oriented modeling of in-cylinder processes of internal combustion engines is presented. It is designed in such a way, that it can either be used as a stand-alone real working-process calculation tool or as a user-model in one-dimensional simulation tools replacing the high-pressure phase of the cylinder objects. In tools for whole vehicle simulations, a code with the proposed software architecture can be used, too. Much effort was spent on the requirements of flexibility and expandability in order to be well prepared to cope with the diversity of both today's and future tasks. An analytical solution for the calculation of the difference quotients is presented, which is suitable for a user-defined number of zones in every thermodynamical system, too. As a consequence, exactly the same source code can be used for one-, two- or multi-zone calculations. An algorithm is introduced that provides a very fast calculation of the chemical equilibrium condition of burnt gas. The influence of the equilibrium coefficients and the fuel composition on the chemical equilibrium composition is discussed. This is the basis for a component-based method to calculate both specific enthalpy and individual gas constant of burnt gases. Comparing the results with the approaches of Zacharias and de Jaegher, there is an exact match for standard fuels. The new approach, however, is suited for the burnt gas of any user-defined fuel, too. The sensitivity of this caloric approach on the chemical equilibrium coefficients, the fuel composition and the "freeze-temperature" is investigated. Detailed diagrams for the chemical equilibrium composition, the internal energy and the individual gas constant of burnt gas can be found in the appendix. In order to manage simulations with non-standard fuels a new component approach for the internal energy of fuel vapor is given and discussed. A detailed table with coefficients for quite a number of fuel components is provided in the appendix. An equation for the burning efficiency of the combustion is proposed as a function of temperature, pressure and air/fuel ratio and is compared with the well-known approximation by Vogt. The equation by Vogt can only be used at temperatures below 1800 K and delivers an absolute error of up to 2 %. Hence, an improved approximation equation is given, which is also meant to be used below 1800 K. To get the burning efficiency for higher temperatures in an easy way, the interpolation tables of the appendix can be used for a comparatively precise and easy calculation. There are two ways to handle under-stochiometric combustion and secondary oxidation in burning efficiency and calorics, properly. Both ways are discussed. Now it has to be differentiated between the definitions of "fuel (vapor) mass conversion" and "burn rate". The "fuel mass conversion" corresponds to the decrease of fuel vapor and to the increase of burnt gas. It depends on model assumptions. The "burn rate", however, is the virtual heat release of the combustion. It largely depends on model assumptions, especially on the approach for the burning efficiency. Burn rates of one-zone calculations always have to be strictly separated from burn rates of two- or multi-zone calculations. One reason for this is the nonlinearity of the calorics, mainly caused by dissociation. Assumptions for two zone calculations for modeling the mixing between the zones are presented as well as models for injection and evaporation. A one-, two- or multi-zone pressure trace analysis is implemented as a sub model in the real working-process calculation code. Thus, the pressure trace analysis uses an almost identical source code as the real working-process calculation and becomes easier to maintain and more secure against bugs. It is possible to suppress the negative burn rate, the so-called "inverse combustion", in the pressure trace analysis. Both advantages and disadvantages of calculations with and without inverse combustions are discussed. A quasi-dimensional combustion model for homogeneous spark ignition combustion processes with port-injection is proposed, also. The effects and sensitivities of the variety of model parameters and modeling variations on the high-pressure part are investigated on both real working-process calculations and pressure trace analysis, and on a passenger car SI-engine as well as on a heavy duty diesel engine. Supportively, a combined soot and nitrogen oxide model has been implemented for diesel engines.