Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei der Entwicklung moderner Dieselmotoren liegen Schwerpunkte gleichzeitig auf der Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und auf der Reduzierung der Schadstoffemissionen. Rechenmodelle, die beide Gr\u00f6\u00dfen zuverl\u00e4ssig berechnen k\u00f6nnen, tragen dazu bei, die Anzahl von zeit- und kostenintensiven experimentellen Untersuchungen zu reduzieren und f\u00fchren so zu einer schnelleren Entwicklung von schadstoffarmen und verbrauchsg\u00fcnstigen Motoren. Das zu entwickelnde Modell soll auf einer abge-sicherten physikalischen Basis stehen und mit m\u00f6glichst wenigen empirischen Gleichungen auskommen, so dass eine wesentlich verbesserte Allgemeing\u00fcltigkeit gegen\u00fcber existierenden Modellen erreicht wird.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas gesamte Verbrennungsmodell besteht aus vielen Untermodellen, die die einzelnen im Zylinder ablaufenden Teilprozesse beschreiben. Dazu geh\u00f6rt eine Beschreibung der W\u00e4rmefreisetzung, die die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, die Verdampfung und Gemischbildung sowie den Z\u00fcndverzug und die maximale Umsetzungsrate beinhaltet. Der Kraftstoffstrahl wird daf\u00fcr in einzelne Zonen unterteilt, in denen die Vorg\u00e4nge anhand der dort vorliegenden Zust\u00e4nde berechnet werden. Es werden au\u00dferdem die Stoffeigenschaften von Diesel, Luft und Abgasen realit\u00e4tsnah beschrieben sowie alle im Zylinder auftretenden Energie- und Stoffstr\u00f6me modelliert. Dadurch werden die lokalen Temperaturen und Zusammensetzungen im Zylinder berechnet, mit denen die chemische Reaktionskinetik zur Bestimmung der Schadstoffanteile im Abgas gel\u00f6st werden kann. Die Konzentrationen von Stickoxiden und Ru\u00df werden detailliert berechnet und ausgegeben.<\/p>\n
Alle Programmteile werden anhand von experimentell ermittelten Motordaten verifiziert und \u00fcberarbeitet, so dass eine bestm\u00f6gliche Allgemeing\u00fcltigkeit erreicht wird und auch Vorausrechnungen f\u00fcr ge\u00e4nderte Motorparameter zu zuverl\u00e4ssigen Ergebnissen f\u00fchren. Anschlie\u00dfend werden mit dem Modell Parameterstudien durchgef\u00fchrt, mit deren Hilfe das Optimierungspotential direkteinspritzender Dieselmotoren bez\u00fcglich der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs abgesch\u00e4tzt wird.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die gew\u00e4hlte Struktur des entwickelten Berechnungsmodells erm\u00f6glicht auf Grund der hohen r\u00e4umlichen Aufl\u00f6sung des Einspritzstrahls eine sehr gute Allgemeing\u00fcltigkeit, da der Vorgang der Gemischbildung, der f\u00fcr die gesamte weitere Verbrennung von entscheidender Bedeutung ist, auf Grund der hohen r\u00e4umlichen Aufl\u00f6sung sehr detailliert in Abh\u00e4ngigkeit der lokalen Zust\u00e4nde im Brennraum beschrieben werden kann. Gleichzeitig erm\u00f6glicht das neu eingef\u00fchrte Schadstoffzonen-Konzept, das \u00e4hnliche Strahlpakete f\u00fcr die Berechnung der Schadstoffbildung zusammenfasst, eine deutliche Reduzierung der Rechenzeit ohne Einbu\u00dfen bei der Genauigkeit der Simulationsergebnisse.<\/p>\n
Das entwickelte Verbrennungsmodell wurde in einem Betriebspunkt an experimentelle Daten eines aufgeladenen, schnell laufenden DI-Dieselmotors angepasst und anschlie\u00dfend f\u00fcr Vorausberechnungen anderer Lastpunkte sowie auch ver\u00e4nderter Motorparameter, wie Einspritzzeitpunkt und Abgasr\u00fcckf\u00fchrung, eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das vorliegende Modell geeignet ist, die realen Brenn- und Druckverl\u00e4ufe \u00fcber einen weiten Lastbereich hinreichend genau abzubilden. <\/p>\n
Die Stickoxidemissionen des Motors k\u00f6nnen ebenfalls mit guter N\u00e4herung vorausgesagt werden. Dies gilt insbesondere f\u00fcr die Betriebsbedingungen, in denen bereits die berechnete W\u00e4rmefreisetzung und damit auch das f\u00fcr die Stickoxidbildung entscheidende Temperaturniveau im Brennraum sehr genau mit den Messwerten \u00fcbereinstimmen. Bez\u00fcglich der mit Hilfe des Simulationsprogramms bestimmten Ru\u00dfemissionen k\u00f6nnen erwartungsgem\u00e4\u00df noch keine auch quantitativ zuverl\u00e4ssigen Ergebnisse erzielt werden. Die generellen Trends, die sich bei der Variation von Motorparametern in der Ru\u00dfkonzentration des Abgases ergeben, konnten jedoch in allen untersuchten F\u00e4llen qualitativ richtig vorausgesagt werden. <\/p>\n
Insgesamt ist das innerhalb dieses Forschungsvorhabens entwickelte Verbrennungsmodell sehr gut geeignet, um die Einfl\u00fcsse von ge\u00e4nderten Motorparametern wie Aufladung, Einspritzverlauf und Ab-gasr\u00fcckf\u00fchrung auf die Verbrennung mit nur geringem Rechenzeitaufwand vorauszuberechnen. Dies konnte am Beispiel von einem ver\u00e4nderten Verdichtungsverh\u00e4ltnis bei gleichzeitig anderem Einspritzverlauf sowie am Beispiel von variablen Abgasr\u00fcckf\u00fchrraten nachgewiesen werden. In beiden F\u00e4llen wurde eine sehr gute \u00dcbereinstimmung zwischen Simulationsergebnissen und experimentellen Daten sowohl in Bezug auf den f\u00fcr den Kraftstoffverbrauch ma\u00dfgeblichen Zylinderdruckverlauf als auch in Bezug auf die Stickoxid- und Ru\u00dfemissionen erzielt. Das Modell kann daher als sehr n\u00fctzliches Werkzeug bei der Motorauslegung und -optimierung eingesetzt werden und den Entwicklungsprozess von zuk\u00fcnftigen verbrauchs- und schadstoffarmen Dieselmotoren beschleunigen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Teilergebnisse wurden bereits Projekt begleitend auf mehreren nationalen und internationalen Fachtagungen vorgestellt. Zus\u00e4tzlich werden die Projektergebnisse in detaillierter Form als VDI Fortschritt-Bericht (Reihe 12, Nr. 399) ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen dieses Projektes konnte ein ph\u00e4nomenologisches Modell zur Berechnung von Verbrennung und Schadstoffbildung im Dieselmotor entwickelt werden, dass sich gegen\u00fcber bisherigen Modellen durch eine verbesserte Allgemeing\u00fcltigkeit bei gleichzeitig k\u00fcrzeren Rechenzeiten auszeichnet. Damit kann es in der Motorenforschung und -entwicklung neben experimentellen Untersuchungen als ein sehr hilfreiches Werkzeug eingesetzt werden, um die Entwicklungszeiten von zuk\u00fcnftigen schadstoff\u00e4rmeren und verbrauchsg\u00fcnstigeren Dieselmotoren zu verk\u00fcrzen. <\/p>\n
Zus\u00e4tzlich zu den bereits innerhalb dieses Projektes erzielten Ergebnissen erscheint eine zuk\u00fcnftige Modellerweiterung sinnvoll. Dabei sollte insbesondere eine detailliertere Beschreibung der Interaktion von Einspritzstrahl und Zylinderwand vorgenommen werden, die gerade bei kleinvolumigen Motoren eine Auswirkung auf den Ablauf der Gemischbildung und damit auf den Verbrennungsablauf haben kann. Dar\u00fcber hinaus w\u00fcrde ein neues Untermodell, das eine Vermischung unterschiedlicher Strahlpakete zul\u00e4sst, eine realit\u00e4tsn\u00e4here Beschreibung von Vor- oder Mehrfacheinspritzungen, die mit neuartigen Einspritzsystemen wie Common-Rail oder Pumpe-D\u00fcse darstellbar sind, erm\u00f6glichen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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