07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Kosten-Effektivitäts-Analyse von Maßnahmen zur Reduzierung der SO2- und NOx-Emissionen in Ballungsräumen am Beispiel der Stadt Stuttgart(1987) Voß, Alfred; Friedrich, Rainer; Boysen, Barbara; Mattis, Marcus; Bach, Heinz; Claus, Guenther; Bäßler, Rudolf; Essers, Ulf; Greiner, Rolf; Besser, PeterKosten und Effektivität verschiedener Maßnahmen zur Reduzierung von SO2- und NOx-Emissionen in großen Städten werden am Beispiel der Stadt Stuttgart untersucht. Dazu werden SO2- und NOx-Emissionen bis zum Jahr 2000 in Stuttgart in allen Sektoren stadtteilweise berechnet. Anschließend werden Maßnahmen zur Minderung von SO2- und NOx- Emissionen für die verschiedenen Emittentengruppen (Kraftwerke, sonstige genehmigungsbedürftige Anlagen, nicht genehmigungsbedürftige Anlagen, Verkehr) identifiziert und analysiert. Ihre Anwendung wird simuliert und die dabei entstehenden Kosten und Emissionsminderungen ermittelt. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen für eine möglichst effiziente Umweltpolitik abgeleitet.Item Open Access 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.Item Open Access Entwicklung einer pneumatischen Ventilfeder für hochdrehende Serienmotoren(2007) Semet, Wolfgang; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Ein Schwerpunkt bei der Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren für Fahrzeugantriebe ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, ohne dabei Einschränkungen der Fahrleistungen akzeptieren zu müssen. Bei Ottomotoren wird neben dem Konzept „Downsizing + Aufladung“ auch das Hochdrehzahlkonzept verfolgt. Vorteil dabei ist der leichte Antriebsstrang bei hoher Zugkraft, in extremer Form wird dieses Konzept momentan in der Formel 1 realisiert. Die Anforderungen an den Ventiltrieb für hohe Motordrehzahlen bei bedarfsgerechten Ventilfeder-kräften lassen sich durch pneumatische Ventilfedern erfüllen, ein Konzept für eine pneumatische Ventilfeder für hochdrehende Serienmotoren wird in dieser Arbeit vorgestellt. Die Eignung für die Verwendung in einem Serienmotor bedeutet Wartungsfreiheit über die Lebensdauer des Motors und eine ausreichende Ausfallsicherheit des Gesamtsystems. Daraus resultiert die Kombination einer schiebergesteuerten Kolbenpumpe mit der pneumatischen Feder zu einem kompakten selbstpumpenden Element. Für die Wartungs-freiheit werden verschleißfreie Spaltdichtungen vorgesehen. Eine zusätzliche mechanische Schraubenfeder sichert den Motorstart ohne Druck in der pneumatischen Feder, diese Zusatz-feder stellt auch die Notlauffähigkeit des Motors bei einem Ausfall der Luftfeder sicher. Grundsatzversuche am Aggregate-Prüfstand mit einem modifizierten Flachstößel weisen die Funktionsfähigkeit des Systems nach. In einer ersten konstruktiven Optimierung wird das Konzept auf einen modernen Tassenstößel mit balliger Gleitfläche übertragen, um sicher-zustellen, dass die pneumatische Federeinheit in einem aktuellen Serienmotor eingesetzt werden kann. Funktionsversuche zeigen das Potential zur Reduzierung der Reibleistung und bestätigen die Funktionssicherheit bis zu einer Motordrehzahl von 10.000 U/min. Die Integration von serienmäßigen Elementen für den hydraulischen Ventilspielausgleich erfordert eine zweite konstruktive Überarbeitung für eine zuverlässige Trennung der Medien Druckluft (Leckluft aus der pneumatischen Ventilfeder) und Drucköl (für die Versorgung des HVA-Elements). Als Alternative für diese Ausführung wird das Konzept einer zweistufigen Kompression für die Luftversorgung der Federelemente vorgestellt, dabei könnten serien-mäßige Tassenstößel eingesetzt werden. Eine Parameter-Variation mit einer Simulationsrechnung, die auch den Einfluss der Leckagen durch die Spaltdichtungen berücksichtigt, zeigt den Einfluss der wichtigsten geometrischen Größen auf die Funktion des Systems.Item Open Access Kosten-Effektivitäts-Analyse von Maßnahmen zur Reduzierung der SO2- und NOx-Emissionen in Ballungsräumen am Beispiel der Stadt Stuttgart(1986) Bäßler, Rudolf; Boysen, Barbara; Friedrich, Rainer; Mattis, Marcus; Voß, AlfredZiel des Projektes ist es, Kosten und Effektivitaä verschiedener Maßnahmen zur Reduzierung der S02- und NOx-Emissionen in Ballungsräumen zu untersuchen. Als Untersuchungsgebiet wurde die Stadt Stuttgart ausgewählt. Zunächst werden verschiedene Minderungsmaßnahmen ausgewählt und deren Eigenschaften ermittelt. Außerdem werden die derzeitigen S02- und NOx-Emissionen in Stuttgart stadtteilweise berechnet. Anschliesend wird ein Szenario der möglichen zukünftigen Entwicklung der Emissionen bis 1995 erstellt, dabei werden die derzeit geplanten Urnweltschutzmaßnahmen berücksichtigt. Im nächsten Schritt wird die Anwendung verschiedener zusätzlicher Emissionsminderungsmaßnahmen simuliert. Die Kosten und Emissionsminderungen dieser Maßnahmen werden untersucht. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen für eine möglichst effiziente Umweltpolitik abgeleitet.Item Open Access Ein phänomenologisches Modell zur kombinierten Stickoxid- und Rußberechnung bei direkteinspritzenden Dieselmotoren(2004) Kožuch, Peter; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wurde die Verbrennung anhand von zwei Motoren mit Hilfe der Globalen Lichtleit-Messtechnik (GMT) untersucht. Die GMT konnte wertvolle qualitative Informationen über die während der Verbrennung ablaufende Rußbildung liefern: so wurde beispielsweise der größte Vorteil bei der Absenkung der Rußemission durch angelagerte Nacheinspritzung dann erzielt, wenn die Rußbildung anhand des Rußstrahlungssignals in der Nachverbrennung minimiert wurde. Nach dem Vergleich mit Berechnungsgrößen der zweizonigen Druckverlaufsanalyse konnte eine Analogie zwischen der Zwei-Farben-Temperatur und einer fetten Flammentemperatur gefunden werden. Weiterhin wurde mit Hilfe der optischen Größen auch der Einfluss des Restgases auf die fette Flammentemperatur evaluiert. Die umgekehrte Proportionalität zwischen der Bildung fetter Bereiche und der Turbulenzintensität im Brennraum konnte ebenfalls gezeigt und für die Modellierung der an der Rußbildung teilnehmenden Kraftstoffmasse verwendet werden. Diese Erkenntnisse wurden bei der Entwicklung eines Zweizonen-Modells zur kombinierten NO- und Ruß-Berechnung bei DI-Dieselmotoren herangezogen. Basierend auf der kinetischen Turbulenzenergie im Brennraum wurde im Modell die Zumischung zwischen der unverbrannten und verbrannten Zone außerhalb der Flammenzone phänomenologisch beschrieben. Damit ist die Beschreibung des kalorischen Zustandes und einer charakteristischen Gaszusammensetzung im Verbrannten gelungen, worauf die Schadstoffberechnung basiert. Die Wiedergabe der gemessenen Stickoxidkonzentrationen durch das Modell kann als sehr gut beurteilt werden. Hervorzuheben ist die Belegung mit identischen Parametersätzen für beide Versuchsträger unterschiedlicher Bauart: damit war eine Vorausberechnung ohne Abstimmung auf einen Messpunkt möglich. Gegenüber einzonigen Ansätzen konnte ein klarer Vorteil der zweizonigen Berechnung der Rußemission gezeigt werden. Mit dem neuen Modell gelang es Tendenzen von Parametervariationen bei niedriger bis mittlerer Rußemission gut wiederzugeben. Das vorgestellte Zweizonen-Modell, das als Postprozessor in bewährte einzonige Arbeitsprozess-Berechnungsprogramme integrierbar ist, wird in der Arbeit detailliert dokumentiert.Item Open Access Experimentelle und theoretische Untersuchung homogener und teilhomogener Dieselbrennverfahren(2007) Haas, Simon-Florian; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze für eine bessere Homogenisierung und eine günstigere Verbrennungsführung untersucht und bewertet. Die Bandbreite reicht dabei von einem ideal homogenen Brennverfahren mit äußerer Gemischbildung bis zu einem teilhomogenen Verfahren mit innerer Gemischbildung und später Einspritzung. Mit einem ideal homogenen Brennverfahren ist es möglich, die Ruß- und Stickoxidbildung vollständig zu vermeiden. Problematisch ist die durch eine unkontrollierbare, schnelle Verbrennung begrenzte maximal möglich Motorlast im Bereich von 4 - 5 bar indiziertem Mitteldruck. Für eine Anwendung im Fahrzeugmotor besteht außer dem sehr begrenzten Lastbereich die Problematik der Verbrennungsregelung, welche (wenn überhaupt) nur mit Hilfeeines kostspieligen variablen Ventiltriebs realisiert werden kann. Ein größeres Potenzial zeigen Verfahren mit einer Direkteinspritzung nahe dem oberen Totpunkt. Die Vormischung von Kraftstoff und Luft und damit die Vermeidung der Rußbildung wird durch eine gute einspritzseitige Gemischaufbereitung erreicht. Die Stickoxidemission kann aufgrund der hohen AGR-Verträglichkeit dieses Verfahrens auf sehr niedrige Werte gebracht werden. Mit steigender Last muss die Verbrennung zur Vermeidung hoher Druckgradienten deutlich nach OT erfolgen, wodurch sich der Wirkungsgrad signifikant verschlechtert. Aber auch hier ergibt sich aufgrund der vollständig vorgemischten Verbrennung eine Lastgrenze von ca. 10 bar indiziertem Mitteldruck. Zur instationären Regelung der Verbrennung kann die Abhängigkeit vom Einspritzzeitpunkt ausgenützt werden. Bei den genannten Brennverfahren ergibt sich aufgrund der vollständigen Vormischung die Problematik der Lastbegrenzung aufgrund einer zu schnellen Reaktion. In dieser Arbeit wird bereits eine Lösungsmöglichkeit durch eine „quasi-vorgemischte“ Verbrennung angedeutet. D.h. die Gemischaufbereitung der Düse ist so ausgezeichnet, dass die Enflammung erst in weit von der Düse entfernten, vorgemischten Bereichen stattfindet. Die Verbrennung erfolgt fast zeitgleich mit der Einspritzung und wird von der Einspritzrate gesteuert. Dadurch kann das Verbrennungsgeräusch gering gehalten werden und eine Anwendbarkeit des Verfahrens auf hohe Lasten ist ebenfalls gegeben. Hinsichtlich der einspritzseitigen Gemischaufbereitung muss allerdings noch einiges an Entwicklungsarbeit geleistet werden. Insbesondere die Wandlung der Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie des Einspritzsystems muss bei gleichzeitig verringerten Spritzlochdurchmessern und gesteigerten Einspritzdrücken realisiert werden.Item Open Access Untersuchung und Charakterisierung von Zerstäubung, Strahlausbreitung und Gemischbildung aktueller Dieseldirekteinspritzsysteme(2004) Blessing, Matthias; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Ein Schwerpunkt bei der Entwicklung von direkteinspritzenden Dieselmotoren ist die Erarbeitung neuer Lösungsansätze zur Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte. Das Einspritzsystem spielt hier hinsichtlich der Zerstäubung des Kraftstoffs eine maßgebende Rolle. Durch die Verwendung neuer, flexibler Einspritzsysteme, können die entscheidenden Gemischbildungsparameter wie der Einspritzverlauf, die Tropfengrößenverteilung, die Verdampfung und somit die Verbrennung mit der damit zusammenhängenden Schadstoffentstehung beeinflusst werden. Für diese Entwicklungen ist es notwendig, je nach Lösungsansatz, die Einflüsse verschiedener Parameter detailliert zu analysieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein nadelhubgesteuertes Common Rail, ein sich im Serieneinsatz befindliches druckgesteuertes Pumpe Leitung Düse Einspritzsystem und das einspritzverlaufsformungsfähige Amplified Piston Common Rail System verwendet. Die grundsätzlichen hydraulischen Eigenschaften der Systeme wurden zuerst an einem Einspritzprüfstand beurteilt. Durch die Anwendung moderner optischer Analyseverfahren, werden die Einflussparameter auf die Gemischbildung dieser Systeme vergleichend untersucht. Die Betrachtung der Düseninnenströmung im Sack- und Spritzloch erfolgt mit der Hilfe von transparenten Düsenkuppen aus Acrylglas in Realgeometrie. Die unterschiedlichen Nadelöffnungsgeschwindigkeiten der untersuchten Einspritzsysteme und die resultierenden Strömungsverhältnisse im Nadelsitz verursachen beim Common Rail System Turbulenzen im Sackloch, die zu einer instabilen Kavitation in der Anfangsphase der Einspritzung und zu einem verstärkten Strahlaufbruch führen. Die dadurch vergrößerten Strahlwinkel bewirken einen erhöhten Lufteintrag in den Strahl, der zu einer schnelleren Gemischbildung, Reaktion und einer gesteigerten Stickoxidbildung führt. Es zeigt sich, dass ein Einspritzsystem mit der Möglichkeit der Einspritzverlaufsformung und einer kurzen Sitzdrosselphase während der Nadelöffnung Potential für ein schadstoffärmeres Brennverfahren besitzt.