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Objektorientierte Prozessrechnung von Verbrennungsmotoren
(2006) Grill, Michael; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)
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.