Merker Günter P., Schwarz C., Teichmann R., (Hrsg.) Durst B. Grundlagen Verbrennungsmotoren: Funktionsweise, Simulation, Messtechnik

Auflage 6 — Vieweg+Teubner, Springer, 2012. 808 p. — ISBN: 978-3-8348-1987-1.Der Computer als Prüfstand - die Zukunft der Motorenentwicklung
Die numerische Simulation der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor dürfte in naher Zukunft eine Standardaufgabe des Entwicklungsingenieurs werden. Das Buch beschreibt die Grundlagen der Motoren-Thermodynamik und diskutiert die reale Arbeitsprozeßrechnung mit Hilfe der Füll- und Entleermethode. nulldimensionale, phänomenologische und mehrdimensionale Verbrennungsmodelle vorgestellt. In weiteren Kapiteln wird die Berechnung mehrdimensionaler Strömungs-, Temperatur- und Konzentrationsfelder diskutiert, wobei Turbulenzmodelle und Wandgesetze erläutert werden. Schließlich werden die Grundlagen, aber auch die Grenzen der numerischen Berechnung von mehrdimensionalen Strömungsfeldern mit chemischen Reaktionen beschrieben. Die numerische Simulation von Verbrennungsmotoren dürfte in nächster Zukunft eine Standardaufgabe des Entwicklungsingenieurs werden. Das Buch vermittelt die dazu notwendigen Grundkenntnisse der Motorenthermodynamik und stellt, ausgehend von der Füll- und Entleermethode, nulldimensionale, phänomenologische und mehrdimensionale Verbrennungsmodelle vor. Die Diskussion von Grundlagen und Grenzen der numerischen Berechnung von mehrdimensionalen Strömungsfeldern mit chemischen Reaktionen vermittelt schließlich den Einstieg in die rechentechnische Behandlung der SimulationsmodelleInhaltsverzeichnis
Vorwort zur
Auflage
Geleitwort
Die Herausgeber
Autorenverzeichnis
Firmen- und Hochschulverzeichnis
Kapitel, Beiträge und Mitarbeiter
Abkürzungs- und Formelverzeichnis
Einleitung
Vorbemerkungen
Modellbildung und Simulation
Verbrennungsdiagnostik
Möglichkeiten und Grenzen
Literatur
Teil A: Hubkolbenmotor
Motorische Verbrennung
Brennstoffe
Kohlenwasserstoffe
Benzin und Ottobrennstoffe
Dieselbrennstoffe
Brennstoffe für Marineanwendungen
Alternative Brennstoffe
Klassifikation von Verbrennungsmotoren
Dieselmotoren
Einspritzverfahren und -systeme
Gemischbildung
Selbstzündung und Verbrennungsablauf
Rohemissionen des Dieselmotors
Potenzial des Dieselmotors
Ottomotoren
Vorgemischte Flammen und Diffusionsverbrennung
Zündung
Flammenfrontentwicklung, Einfluss der Turbulenz
Verbrennungsgeschwindigkeit und Brennverlauf
Irreguläre Verbrennung
Brennverfahren, Gemischbildung, Betriebsarten
Rohemissionen und innermotorische Schadstoffreduktion
Potenziale des Ottomotors
Groß-Gasmotoren
Allgemeine Grundlagen
Großgas-Ottomotoren
Groß-Dieselmotoren
Allgemeine Grundlagen
Zwei-Takt Langsamläufer
Vier-Takt Mittelschnellläufer
Vier-Takt Schnellläufer
Literatur
Thermodynamik des Verbrennungsmotors
Energiewandlung
Kinematik des Kurbeltriebs
Kreisprozesse
Grundlagen
Geschlossene Kreisprozesse
Offene Vergleichsprozesse
Realer Motorprozess
Kenngrößen und Kennwerte
Ottomotoren
Dieselmotoren
Hybridmotoren
Literatur
Aufladung von Verbrennungsmotoren
Aufladeverfahren
Druckwellenaufladung
Mechanische Aufladung
Einstufige Abgasturboaufladung
Ladedruckregelung
Zweistufige Abgasturboaufladung
Verbundaufladung (Turbocompound)
Simulation von Komponenten der Aufladung
Strömungsverdichter
Verdrängerlader
Strömungsturbine
Abgasturbolader
Ladeluftkühlung
Literatur
Teil B: Verbrennung, Schadstoffbildung, Emissionsmesstechnik
Reaktionskinetik
Grundlagen
Chemisches Gleichgewicht
Reaktionsgeschwindigkeit
Partielles Gleichgewicht und Quasi-Stationarität
Reaktionskinetik von Kohlenwasserstoffen
Oxidation von Kohlenwasserstoffen
Zündvorgänge
Reaktionskinetik in der motorischen Simulation
Literatur
Schadstoffbildung
Abgaszusammensetzung
Kohlenmonoxid (CO)
Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC)
Quellen von HC-Emissionen
Nicht limitierte Schadstoffkomponenten
kelemission beim Dieselmotor
Einführung
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
Entstehung von Ruß
Modellierung der Partikelemission
Stickoxide
Thermisches NO
Prompt-NO
Über N2O-Mechanismus erzeugtes NO
Brennstoff-Stickstoff
Reaktionen zu NO
Literatur
Emissionsmesstechnik
Einführung
Messgasaufbereitung
Messgasaufbereitung für Abgas-Messanlagen (AMA)
Messgasaufbereitung durch Verdünnung
Messung gasförmiger Bestandteile
NDIR – Nichtdispersiver Infrarot Detektor
FID – Flame Ionisation Detektor
CLD – Chemolumineszenz Detektor
PMD – Paramagnetischer Detektor
FTIR – Fourier Transform Infrarot Spektroskopie
LDS – Laser Dioden Spektroskopie
Messung fester Bestandteile
Messung der Partikel entsprechend gesetzlicher Vorgaben
Bestimmung von Partikeleigenschaften im Abgas
mit alternativen Verfahren
Literatur
Verbrennungsdiagnostik
Druckindizierung
Allgemeines
Die Indiziermesskette
Einflüsse auf die Messgenauigkeit
Kennwerte infolge von äußeren Einflüssen auf den Sensor
Varianten für die Sensoradaptierung
Elektrische Drift am Ladungsverstärker
Druckindizierung im Ein- und Auslasssystem
Druckverlaufsanalyse
Bestimmung des Brennverlaufes
Verlustteilung
Vergleich unterschiedlicher Brennverfahren
Optische Messverfahren
Einleitung
Anwendungsgebiete optischer Methoden im tabellarischen Überblick
Anwendungsbeispiele optischer Methoden
Dieselmotoren
Ottomotoren
Lasermesstechniken
Ausblick Verbrennungsdiagnostik
Literatur
Teil C: 0D- und 1D-Simulation des Gesamtprozesses
Reale Arbeitsprozessrechnung
Ein-Zonen-Zylinder-Modell
Grundlagen
Ermittlung des Massenstroms durch die Ventile/Ventilhubkurven
Wärmeübergang
Brennverlauf
Klopfende Verbrennung
Innere Energie
Zwei-Zonen-Zylinder-Modell
Modellierung des Hochdruckteiles nach Hohlbaum
Modellierung des Hochdruckteiles nach Heider
Modellierung des Ladungswechsels beim 2-Takt-Motor
Modellierung des Gaspfades
Modellierung peripherer Komponenten
Modellbildung
Integrationsverfahren
Gasdynamik
Grundgleichungen der eindimensionalen Gasdynamik
Numerische Lösungsverfahren
Randbedingungen
Hydraulische Simulation
Modellierung der Grundkomponenten
Anwendungsbeispiel
Literatur
Phänomenologische Verbrennungsmodelle
Dieselmotorische Verbrennung
Nulldimensionale Brennverlaufsfunktion
Stationärer Gasstrahl
Paket-Modelle
Zeitskalen Modelle
Ottomotorische Verbrennung
Laminare und turbulente Flammengeschwindigkeit
Wärmefreisetzung
Zündung
Klopfen
Literatur
Abgasnachbehandlungssysteme
Methoden der Abgasnachbehandlung
Modellbildung und Simulation
Abgaskatalysatoren
Grundgleichungen
Katalysator-Typen
Dieselpartikelfilter
Grundgleichungen
Beladung und Druckverlust
Regeneration und Temperaturverteilung
Dosiereinheiten
Gesamtsystem
Literatur
Gesamtprozessanalyse
Allgemeines
Thermisches Motorverhalten
Grundlagen
Kühlkreislauf
Ölkreislauf
Motorreibung
Reibungsansatz für den betriebswarmen Motor
Reibungsansatz für den Warmlauf
Stationäre Simulationsergebnisse
Transiente Simulationsergebnisse
Literatur
Beherrschung komplexer Entwicklungsprozesse
Notwendigkeit von Optimierungsstrategien
Modellstrukturierung
Modellansätze für die Optimierung
Anwendungsbeispiele für Optimierungsaufgaben
Emissionsoptimierung Diesel PKW
Volllastoptimierung Ottomotor
Volllastoptimierung von Arbeitsmaschinen
Optimierung des Energiemanagements von Hybridfahrzeugen
n kritischen Zyklusabschnitten
Funktionsbedatung
Zusammenfassung
Literatur
Teil D: 3D-Simulation des Arbeitsprozesses
Dreidimensionale Strömungsfelder
Strömungsmechanische Grundgleichungen
Massen- und Impulstransport
Transport von innerer Energie und Spezies
Passive Skalare und Mischungsbruch
Konservative Formulierung der Transportgleichungen
Turbulenz und Turbulenzmodelle
Phänomenologie der Turbulenz
Modellierung der Turbulenz
Turbulentes Wandgesetz
Modellierung des turbulenten Mischungszustandes
Die Gültigkeit von Turbulenzmodellen; Alternativansätze
Numerik
Finites-Volumen-Verfahren
Diskretisierung des Diffusionsterms – Zentrale Differenzen
Diskretisierung des Konvektionsterms – Aufwindschema
Diskretisierung der Zeitableitung – Implizites Schema
Diskretisierung des Quellterms
Operator-Split-Verfahren
Diskretisierung und numerische Lösung der Impuls-Gleichung
Rechennetze
Beispiele
Simulation von Strömungsstrukturen im Zylinder: Ottomotor
Simulation von Strömungsstrukturen im Zylinder: Dieselmotor
Düseninnenströmung
Literatur
3D-Simulation der Aufladung
Allgemeines
Grundlagen der 3D-CFD-Simulation von Turbomaschinen
Behandlung unterschiedlicher und bewegter
Koordinatensysteme
Gittergenerierung für Turbomaschinen
Aufbau von Berechnungsmodellen und Randbedingungen
Postprocessing: Ergebnisanalyse und -darstellung
Anwendungsbeispiele
Analyse des Verdichterverhaltens
Untersuchung von Turbinenvarianten
Simulation von Einspritzprozessen
Einzeltropfenprozesse
mpulsaustausch
Massen- und Wärmeaustausch (Einkomponentenmodell)
Massen- und Wärmeaustausch (Mehrkomponenten
modellierung)
Flashboiling
Strahlstatistik
Boltzmann-Williams-Gleichung
Numerische Lösung der Boltzmann-Williams-Gleichung
Das Standardmodell (Lagrange-Formulierung)
Exkurs: Numerische Bestimmung von Zufallszahlen
kel-Startbedingungen am Düsenaustritt
Modellierung von Zerfallsprozessen
Modellierung von Stoßprozessen
Modellierung der turbulenten Dispersion im Standard-Modell
Beschreibung der turbulenten Dispersion
mittels Fokker-Planck-Gleichung
Die Diffusionsdarstellung der Fokker-Planck-Gleichung
Probleme des Standard-Strahlmodells
Benzindirekteinspritzung für Schichtladung mit nach außen öffnendem Piezo-Injektor
Euler-Strahlmodelle
Lokal homogene Strömung
Einbettungen von 1-D-Euler-Verfahren und anderen Ansätzen
D-Euler-Verfahren
Literatur
Simulation der Verbrennung
Verbrennungsregimes
Allgemeines Vorgehen
Diesel-Verbrennung
Simulation der Wärmefreisetzung
Zündung
NOx-Bildung
Rußbildung
HC- und CO-Emissionen
Homogener Benzinmotor (Vormischverbrennung)
Zweiphasenproblematik
Magnussen-Modell
Flammenflächenmodelle (auch Coherent Flame Models)
G-Gleichung
Diffusive G-Gleichung
Zündung
Klopfen
Schadstoffbildung
Benzinmotor mit Ladungsschichtung (teilweise vorgemischte Flammen)
Strömungsmechanische Simulation von Ladungswechsel,
Gemischbildung und Verbrennung: Ausblick
Netzbewegung
Numerik
Turbulenz
Modellierung der Einspritzprozesse
Modellierung der Verbrennung
Literatur
Teil E: Systembetrachtungen und Ausblick
Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebsstrangs
Zukünftige Entwicklungsziele der Verbrennungsmotoren
Einführung
Konfiguration des optimalen Antriebssystems
Technologieelemente künftiger Antriebsstrang-Konfigurationen
Vorauslegung
Entwicklungsphase
Antriebsstrangkonfigurationen – Beispiele
Ansätze zur simulationsgestützten Motorauslegung
Simulation im Motorentwicklungsprozess
Skalierbare Motor- und Gesamtsystemmodellierung
Ausgewählte Anwendungen
Ausblick
Literatur
Zukunft des Verbrennungsmotors .
Einleitung
Die Rolle der Verbrennungsmotoren für die Mobilität der Zukunft
Verbrennungsmotoren – Gestern, Heute, Morgen
Alternative Konzepte
Entwicklungspotenzial des Verbrennungsmotors
Zukünftige Kraftstoffe
Anforderungen
Bio-Kraftstoffe
Synthetische Kraftstoffe (SynFuel)
Wasserstoff
Zusammenfassung/Ausblick
Literatur
Sachwortverzeichnis