Modell zur Vorhersage der Brennrate bei homogener und teilhomogener Dieselverbrennung

Abstract

In der letzten Dekade haben mehrere experimentelle Untersuchungen gezeigt, dass während der voll- oder teilhomogenen Dieselverbrennung, im Vergleich zur konventionellen Dieselverbrennung, weniger Ruß- und Stickoxidemissionen im Brennraum entstehen. Da der spezifische Kraftstoffverbrauch bei teillhomogener Dieselverbrennung nicht höher ist, als bei konventionellen Dieselbrennverfahren, ist somit im Teillastbereich eine verbrauchsneutrale, innermotorische Schadstoffreduktion möglich. Aufgrund der je nach Verfahren unterschiedlich starken Entkopplung von Einspritzzeitpunkt und Brennbeginn sind teil- und vor allem vollhomogene Brennverfahren jedoch nicht einfach zu realisieren, insbesondere im Transientbetrieb. Es sind daher weitere Entwicklungsarbeiten notwendig bis eine serientaugliche Applikation vorliegt, bei der im Teillastbereich voll- und teilhomogene Brennverfahren zum Einsatz kommen. Mangels eines geeigneten vorhersagefähigen Brennratenmodells können die Potentiale der Arbeitsprozessrechnung dazu bisher nur unzureichend genutzt werden. In dieser Arbeit wird ein solches Modell vorgestellt, welches nach einer Abstimmung an den jeweiligen Motor alle relevanten voll- und teilhomogenen Betriebsarten (HCCI, HCLI und HPLI) vorhersagefähig abbilden kann.

In Summe kann über alle Betriebsarten der Umsatzwirkungsgrad und auch der indizierte Mitteldruck mit einer Genauigkeit von ±10% vorhergesagt werden. In dem Betriebsbereich mit Einspritzbeginnen um den oberen Totpunkt, der aktuell besonders im Entwicklungsinteresse steht, beträgt die Genauigkeit ±5%. Die Rechenzeit für ein Arbeitsspiel beträgt auf einem aktuellen Büro-PC weniger als zwei Sekunden. Damit ist das Modell für den täglichen Einsatz auch im Rahmen einer 1D-Strömungssimulation geeignet.

In the last decade many experimental researches have proven that during homogenous- or partly-homogenous Diesel combustion less soot and nitrous gases are formed compared to conventional CI combustion mode. Furthermore it has been shown that the specific fuel consumption of partly-homogenous Diesel combustion is comparable to conventional CI combustion. Consequently at part load in-cylinder pollutant reduction is possible without disadvantages regarding to fuel consumption. But partly- and even more full-homogenous Diesel combustion is not easy to implement due to the strong decoupling of injection timing and start of combustion depending on the combustion mode especially in transient operation. For that reason further efforts are necessary until an application suitable for series production exists, with full- or partly-homogenous Diesel combustion at part load. Until now the capability of working cycle simulation couldn't be used to improve the situation because no suitable predictive burn rate model exists. In this dissertation such a model shall be presented which has the predictive capability to reproduce the burn rate of all relevant full- or partly-homogenous combustion modes (HCCI, HCLI and HPLI) inside the working cycle simulation after calibration on a specific engine.

In total IMEP and combustion efficiency can be predicted with an accuracy of ±10% over all operating modes. At modes with start of injection near FTDC the accuracy is ±5%. The computation time for one working cycle is less than two seconds on an up-to-date office-PC. Therefore the model is suited for daily use in the context of 1-D flow simulations.