07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Neuronale Netzwerke für transiente Vorgänge im Antriebsstrang(2023) Cimniak, Valerian; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Zukünftige Antriebssysteme werden immer komplexer. Beispielsweise ergeben sich durch die Hybridisierung von Verbrennungsmotoren umfangreiche Möglichkeiten für die Leistungsaufteilung im Triebstrang, welche in Kombination mit der Auslegung eines darauf angepassten Brennverfahrens zahlreiche Abstimmparameter enthält. Zudem sind alternative Kraftstoffe für das Erreichen einer CO2-Neutralität im Mobilitätsbereich unerlässlich, was weitere Herausforderungen mit sich bringt, da sich die Verbrennungseigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Benzin- oder Dieselkraftstoffen unterscheiden. Computermodelle können zum einen dabei helfen die Kosten während der Vorentwicklung zu reduzieren, indem sie notwendige Messkampagnen am Prüfstand eingrenzen, zum anderen lassen sich damit Serienprodukte überwachen und auf korrekte Funktionsweise überprüfen. In dieser Arbeit werden Methoden für die Generierung und Zusammenstellung großer Datenmengen von unterschiedlichen Antriebssystemen und -komponenten untersucht, sowie datenbasierte und echtzeitfähige Modelle, basierend auf künstlichen neuronalen Netzwerken, für die genannten Einsatzzwecke aufgebaut und analysiert.Item Open Access Simulative investigation on pre-turbine exhaust gas aftertreatment systems of diesel engines with dynamic compensation(2021) Angerbauer, Martin; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit werden verschiedene Konfigurationen einer Abgasnachbehandlung vor der Turbine betrachtet. Die untersuchten Systeme unterscheiden sich in der Art, Anzahl und Reihenfolge der Komponenten, die vor der Turbine platziert werden. Ohne weitere Anpassungen werden die Serienkatalysatoren des Referenzsystems in ihrer neuen Position vor der Turbine platziert. Das Referenz-Abgasnachbehandlungssystem besteht aus einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), einem katalytischen Dieselpartikelfilter (cDPF) und einem selektiven katalytischen Reaktionssystem (SCR). Die Untersuchungen werden mittels 0d/1d-Simulation an einem repräsentativen Vierzylinder-Dieselmotor durchgeführt. Hierfür wird das Simulationsmodell anhand von Prüfstandsdaten für das Referenzsystem kalibriert und validiert. Die 0d/1d-Simulation bietet die Möglichkeit, in kurzer Zeit mehrere Konfigurationen unter exakt den gleichen Bedingungen zu vergleichen. Darüber hinaus können Komponenten untersucht werden, ohne dass sie in physischer Form vorliegen müssen, was die Analyse einer Vielzahl von Maßnahmen zur Steigerung des dynamischen Ansprechverhaltens erleichtert. Für die Emissionsvorhersage wird ein neuronales Netz mit sieben Eingangsparametern auf Basis von Messergebnissen trainiert. Durch die hohe Anzahl an Eingangsparametern des empirischen Modellansatzes, werden auch transiente Einflüsse auf die Emissionsentstehung berücksichtigt, wie etwa ein verzögerter Ladedruckaufbau. Dies ist erforderlich, da die zusätzlichen Komponenten vor der Turbine den Ladedruck und die interne Abgasrückführungs-Rate beeinflussen. Für die Gesamtbewertung der Konfigurationen ist neben der Reduktion der Emissionen durch die Katalysatoren auch die Veränderung der Emissionsbildung ein Faktor.Item Open Access Investigation on synthetic oxygenate fuels in future SI-engines using 0D/1D-simulation(2023) Wagner, Martin Cornelius; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing)In dieser Arbeit werden der Kraftstoff C65F35 und ein Benzin-Mischkraftstoff G85F15 untersucht. C65F35 (ein Gemisch aus 65 % Dimethylcarbonat und 35 % Methylformiat, das sich hauptsächlich durch das Fehlen von C-C-Bindungen und einen hohen Sauerstoffgehalt auszeichnet) bietet Vorteile hinsichtlich hoher Verdampfungsenthalpie und damit einhergehendem Kühleffekt, geringerem Sauerstoffbedarf und hoher Klopffestigkeit. Außerdem ist die Verbrennung nahezu partikelfrei. G85F15 (ein Gemisch aus 85 % Benzin und 15 % MeFo) bietet aufgrund seines MeFo-Gehalts Vorteile beim Klopfverhalten.Item Open Access Simulative Betrachtung der Kolbenbolzenlagerung(2023) Liebmann, Dennis; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Aufgrund fallender Zahlen an Versuchsträgern des heutigen Verbrennungsmotors gewinnt die digitale Bewertung dynamisch belasteter Gleitlager wie der Kolbenbolzenlagerung zunehmend an Bedeutung. Notwendig sind Berechnungsmodelle, die hinsichtlich des Verhaltens bei hohen Lasten, geringen Schmierfilmdicken, unterschiedlicher Ölzufuhr, hohen Temperaturen, etc. aussagefähig sind. Ein Komponenten-Prüfstand zur Reibungsmessung der Kolbenbolzenlagerung wird eingesetzt, um eine Validierung der Berechnungsergebnisse zu gewährleisten. Dies geschieht durch Extraktion der in Verbindung stehenden Bauteile (Kolben, Kolbenbolzen und Pleuelstange). Eine neuartig entwickelte hydrostatische Lagerung am Prüfstand ermöglicht eine größere elastische Deformation des Kolbens und damit eine brennraumnahe Verformung der Bauteile. Es werden Messungen mit Bauteilen eines Otto- und eines Dieselmotors, welche sich durch verschiedene Materialpaarung und Geometrien der Bauteile unterscheiden. Für die Berechnung wird eine Mehrkörpersimulation mit Schmierfilmkopplung eingesetzt, welche nichtlineare Effekte dynamisch hochbelasteter Gleitlager abbilden kann. Mithilfe der Simulation können die Haupteffekte einer Parameterstudie und ein zeitkontinuierlicher Drehmomentverlauf der Messungen der Diesel-Motorteile nachvollzogen werden. Die Otto-Motorteile zeigen unter Verwendung des Kavitationsalgorithmus nach Kumar und Booker eine bevorzugte Beölungsrichtung der Lagerung. Durch geeignete Schmierstoffzufuhr an den Rändern der Lagerung können früh eintretende Fressereignisse während der Messungen vermieden werden. Auf dem Prüfstand entstandene Laufspuren innerhalb der Kolbennabe und des kleinen Pleuelauges korrelieren örtlich mit den berechneten Druckmaxima der Simulation. Es werden verschiedene Nabenformen innerhalb der Kolbennabe der Otto-Motorteile auf dem Prüfstand getestet. Austrocknungsversuche zeigen die Reibung der Kolbenbolzenlagerung bei sich stetig reduzierender zugeführter Beölungsmenge. Durch die Simulation kann das ermittelte Verhalten auf dem Prüfstand nachgestellt werden. Zudem werden mit dem entstandenen validierten Berechnungsmodell weiterführende Untersuchungen durchgeführt. Somit kann die Kolbenbolzenrotation innerhalb zweier Betriebspunkte eines Einzylinderaggregates mit Saphirglas-Fenster optisch analysiert und rechnerisch korreliert werden. Abschließend bestätigt die Simulation die Reibungsuntersuchungen am Vollmotor aus der Literatur, welche einen Zusammenhang zwischen der Gestaltung der Kolbenbolzenlagerung und dem gemessenen Reibmitteldruck des Motors herstellt.Item Open Access Phenomenological modeling of pre-ignition in gas engines(2023) Wißmann, Lukas; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Beim Betrieb von Zweitakt-Dual-Fuel-Motoren kann es zu ungewollten Vorentflammungen kommen, welche zu hohen Druckanstiegen führen und im schlimmsten Fall Bauteile beschädigen. Dieses Phänomen in den Griff zu bekommen ist ein essentieller Bestandteil in der Entwicklung dieser Motoren. Auch ist die Ursache und der Mechanismus dieser Vorentflammungen nicht mit solchen im PKW-Bereich vergleichbar, weshalb eine Übertragbarkeit der Erkenntnisse nicht gegeben ist. Umfangreiche Vollmotorversuche sind bei großen Schiffsmotoren sehr teuer und auch 3D-CFD-Simulationen sind bei den geometrischen Gegebenheiten sehr ressourcenintensiv. In dieser Arbeit wird deshalb ein schnelles QD-Modell entwickelt, um Vorentflammungen vorhersagen zu können. Mit umfangreichen reaktionskinetischen Untersuchungen wird gezeigt, dass Vorentflammungen ohne im Brennraum vorhandene Schmieröltropfen bei dem betrachteten Motorkonzept nicht möglich sind. Das in dieser Arbeit entwickelte phänomenologische Vorentflammungsmodell ist eine Kombination aus Schmieröltropfenverdampfung und Reaktionskinetik. Das Modell ist in der Lage, bei unterschiedlichsten motorrelevanten Randbedingungen den Beginn der Vorentflammung korrekt vorherzusagen. Für die Tropfenverdampfung erfolgte die Validierung gegen eine große Auswahl an Messungen aus der Literatur. Das Gesamtmodell ist gegen eine umfangreiche Messkampagne an einem optisch zugänglichen Prüfstand sowie an Messungen eines realen Schiffsmotors validiert.Item Open Access Klopfmodellierung bei Ottomotoren(2023) Hess, Marco; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access 0D/1D investigations on SI-engines for optimal engine and system efficiency(2023) Negüs, Cihat Feyyaz; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Potentiale eines lokalen Ölthermomanagements hinsichtlich Reibungsreduzierung(2022) Huttinger, Kevin; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit untersucht die möglichen Potentiale eines lokalen Ölthermomanagements hinsichtlich der erzielbaren Reibungsreduktion respektive der damit einhergehenden Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Der Begriff „lokales Ölthermomanagement“ beschreibt dabei die gezielte Ölversorgung der einzelnen Lager- oder Baugruppen eines Verbrennungsmotors mit Schmieröl, dessen Temperatur und ggf. auch Druck auf den jeweiligen Betriebszustand angepasst bzw. optimiert sind. Da die angedachte Maßnahme auch Betriebszustände mit, in der Teillast unbedenklichen, für die Volllast jedoch kritischen Öltemperaturen umfassen kann, erfordert sie zudem die Fähigkeit, ausreichend schnell auf entsprechend kritische Lastanstiege reagieren zu können. Zur Ermittlung der möglichen Vorteile eines lokalen Ölthermomanagements werden experimentelle und simulative Untersuchungen an einem Reihenvierzylinder Dieselmotor durchgeführt. Der Versuchsträger erfährt im Laufe der Forschungsarbeit weitreichende Modifikationen, insbesondere im Bezug auf seinen Ölkreislauf. Die Untersuchungen dieser Arbeit gliedern sich dabei in drei Abschnitte. In einem ersten Schritt wird das Reibverhalten des Versuchsträgers mittels umfangreicher Messreihen im Stripverfahren vermessen. In einem zweiten Schritt schließen sich gefeuerte (Reibungs-) Messungen nach der Indiziermethode an. Der dritte Schritt führt die bisherigen Ergebnisse in anschaulicherer Weise zusammen. Er beinhaltet eine simulative Abschätzung der Effekte einer lokalen Anhebung der Öltemperatur auf den Kraftstoffverbrauch bzw. die daraus resultierenden CO2-Emissionen im dynamischen Fahrbetrieb. Hierzu werden mittels eines vorwärtsbasierten Fahrzeug-Längsdynamikmodells und einer nachgelagerten Auswertung drei unterschiedliche Fahrprofile untersucht.Item Open Access Simulationsgestützte Potentialabschätzung eines variablen Ventiltriebs für die Regeneration von Diesel NOx-Speicherkatalysatoren unter RDE-Bedingungen(2023) Maul, Markus; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Das Bestreben nach sauberen Fahrzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb erfordert den emissionssicheren Betrieb des Motors im gesamten Kennfeld und während jeder Betriebssituation. Die nachmotorische Stickoxid (NOx)-Reduzierung benötigt ein gewisses Temperaturniveau. Bei einem NOx-Speicherkatalysator (NSK) liegt diese Light-off Temperatur niedrig und ermöglicht so eine frühe NOx-Reduzierung. Der diskontinuierliche Betrieb des NSK erfordert für dessen Regeneration die Umstellung des Brennverfahrens auf ein unterstöchiometrisches Luftverhältnis. Die nötige Motorlast für diesen fetten Betrieb ist beim Dieselmotor durch die nötige Brennstabilität begrenzt. Mithilfe eines variablen Ventiltriebs (VVT) mit zweitem Auslassventilhub kann interne AGR erzeugt werden und der Betriebsbereich hin zu niedrigen Lasten erweitert werden. Der Modellaufbau des Strömungspfades, des Turboladers, der Abgasnachbehandlungskomponenten und der Verbrennung wurde in dieser Arbeit anhand experimenteller Messungen an einem Vierzylinder Dieselmotor kalibriert und validiert. Mithilfe von 1D-Stömungsmodellen, einer phänomenologischen Brennverlaufssimulation und physikbasierter Emissionsmodellierung wird der Einfluss dieses VVT-Systems auf den Kraftstoffverbrauch, das Emissionsverhalten und die Temperatur am NSK untersucht. Es werden Untersuchungen zum realen Fahrverhalten durchgeführt, RDE-Strecken vermessen und spezifische, RDE-konforme Fahrprofile erzeugt. Mithilfe eines validierten reaktionskinetischen NSK-Modells und Fahrzeuglängsdynamikmodellen wird eine Regenerationsstrategie entwickelt sowie validiert und damit das Potential des VVT im realen Betrieb bewertet.Item Open Access Investigation of post-oxidation by means of 3D-CFD virtual engine development(2022) Tromellini, Rodolfo; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)The post-oxidation strategy by means of strategy is analysed using 3D-CFD full engine simulation tools coupled with a detailed simulation of the exhaust manifold. The work defines the most relevant influence parameters on post-oxidation such as: chemical reaction kinetic, wall temperature, local mixture formation, cylinder to cylinder interaction, etc.