Projekt 12402/01

Entwicklung eines quasidimensionalen Mehrzonen-Modells zur Optimierung des Emissionsverhaltens und des Kraftstoffverbrauchs direkt einspritzender Dieselmotoren

Projektträger

Universität HannoverInstitut für Technische Verbrennung
Welfengarten 1 A
30167 Hannover
Telefon: 0511/762-2418

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Entwicklung moderner Dieselmotoren liegen Schwerpunkte gleichzeitig auf der Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und auf der Reduzierung der Schadstoffemissionen. Rechenmodelle, die beide Größen zuverlässig berechnen können, tragen dazu bei, die Anzahl von zeit- und kostenintensiven experimentellen Untersuchungen zu reduzieren und führen so zu einer schnelleren Entwicklung von schadstoffarmen und verbrauchsgünstigen Motoren. Das zu entwickelnde Modell soll auf einer abge-sicherten physikalischen Basis stehen und mit möglichst wenigen empirischen Gleichungen auskommen, so dass eine wesentlich verbesserte Allgemeingültigkeit gegenüber existierenden Modellen erreicht wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas gesamte Verbrennungsmodell besteht aus vielen Untermodellen, die die einzelnen im Zylinder ablaufenden Teilprozesse beschreiben. Dazu gehört eine Beschreibung der Wärmefreisetzung, die die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, die Verdampfung und Gemischbildung sowie den Zündverzug und die maximale Umsetzungsrate beinhaltet. Der Kraftstoffstrahl wird dafür in einzelne Zonen unterteilt, in denen die Vorgänge anhand der dort vorliegenden Zustände berechnet werden. Es werden außerdem die Stoffeigenschaften von Diesel, Luft und Abgasen realitätsnah beschrieben sowie alle im Zylinder auftretenden Energie- und Stoffströme modelliert. Dadurch werden die lokalen Temperaturen und Zusammensetzungen im Zylinder berechnet, mit denen die chemische Reaktionskinetik zur Bestimmung der Schadstoffanteile im Abgas gelöst werden kann. Die Konzentrationen von Stickoxiden und Ruß werden detailliert berechnet und ausgegeben.

Alle Programmteile werden anhand von experimentell ermittelten Motordaten verifiziert und überarbeitet, so dass eine bestmögliche Allgemeingültigkeit erreicht wird und auch Vorausrechnungen für geänderte Motorparameter zu zuverlässigen Ergebnissen führen. Anschließend werden mit dem Modell Parameterstudien durchgeführt, mit deren Hilfe das Optimierungspotential direkteinspritzender Dieselmotoren bezüglich der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs abgeschätzt wird.


Ergebnisse und Diskussion

Die gewählte Struktur des entwickelten Berechnungsmodells ermöglicht auf Grund der hohen räumlichen Auflösung des Einspritzstrahls eine sehr gute Allgemeingültigkeit, da der Vorgang der Gemischbildung, der für die gesamte weitere Verbrennung von entscheidender Bedeutung ist, auf Grund der hohen räumlichen Auflösung sehr detailliert in Abhängigkeit der lokalen Zustände im Brennraum beschrieben werden kann. Gleichzeitig ermöglicht das neu eingeführte Schadstoffzonen-Konzept, das ähnliche Strahlpakete für die Berechnung der Schadstoffbildung zusammenfasst, eine deutliche Reduzierung der Rechenzeit ohne Einbußen bei der Genauigkeit der Simulationsergebnisse.

Das entwickelte Verbrennungsmodell wurde in einem Betriebspunkt an experimentelle Daten eines aufgeladenen, schnell laufenden DI-Dieselmotors angepasst und anschließend für Vorausberechnungen anderer Lastpunkte sowie auch veränderter Motorparameter, wie Einspritzzeitpunkt und Abgasrückführung, eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das vorliegende Modell geeignet ist, die realen Brenn- und Druckverläufe über einen weiten Lastbereich hinreichend genau abzubilden.

Die Stickoxidemissionen des Motors können ebenfalls mit guter Näherung vorausgesagt werden. Dies gilt insbesondere für die Betriebsbedingungen, in denen bereits die berechnete Wärmefreisetzung und damit auch das für die Stickoxidbildung entscheidende Temperaturniveau im Brennraum sehr genau mit den Messwerten übereinstimmen. Bezüglich der mit Hilfe des Simulationsprogramms bestimmten Rußemissionen können erwartungsgemäß noch keine auch quantitativ zuverlässigen Ergebnisse erzielt werden. Die generellen Trends, die sich bei der Variation von Motorparametern in der Rußkonzentration des Abgases ergeben, konnten jedoch in allen untersuchten Fällen qualitativ richtig vorausgesagt werden.

Insgesamt ist das innerhalb dieses Forschungsvorhabens entwickelte Verbrennungsmodell sehr gut geeignet, um die Einflüsse von geänderten Motorparametern wie Aufladung, Einspritzverlauf und Ab-gasrückführung auf die Verbrennung mit nur geringem Rechenzeitaufwand vorauszuberechnen. Dies konnte am Beispiel von einem veränderten Verdichtungsverhältnis bei gleichzeitig anderem Einspritzverlauf sowie am Beispiel von variablen Abgasrückführraten nachgewiesen werden. In beiden Fällen wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulationsergebnissen und experimentellen Daten sowohl in Bezug auf den für den Kraftstoffverbrauch maßgeblichen Zylinderdruckverlauf als auch in Bezug auf die Stickoxid- und Rußemissionen erzielt. Das Modell kann daher als sehr nützliches Werkzeug bei der Motorauslegung und -optimierung eingesetzt werden und den Entwicklungsprozess von zukünftigen verbrauchs- und schadstoffarmen Dieselmotoren beschleunigen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teilergebnisse wurden bereits Projekt begleitend auf mehreren nationalen und internationalen Fachtagungen vorgestellt. Zusätzlich werden die Projektergebnisse in detaillierter Form als VDI Fortschritt-Bericht (Reihe 12, Nr. 399) veröffentlicht.


Fazit

Im Rahmen dieses Projektes konnte ein phänomenologisches Modell zur Berechnung von Verbrennung und Schadstoffbildung im Dieselmotor entwickelt werden, dass sich gegenüber bisherigen Modellen durch eine verbesserte Allgemeingültigkeit bei gleichzeitig kürzeren Rechenzeiten auszeichnet. Damit kann es in der Motorenforschung und -entwicklung neben experimentellen Untersuchungen als ein sehr hilfreiches Werkzeug eingesetzt werden, um die Entwicklungszeiten von zukünftigen schadstoffärmeren und verbrauchsgünstigeren Dieselmotoren zu verkürzen.

Zusätzlich zu den bereits innerhalb dieses Projektes erzielten Ergebnissen erscheint eine zukünftige 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. Darüber hinaus würde ein neues Untermodell, das eine Vermischung unterschiedlicher Strahlpakete zulässt, eine realitätsnähere Beschreibung von Vor- oder Mehrfacheinspritzungen, die mit neuartigen Einspritzsystemen wie Common-Rail oder Pumpe-Düse darstellbar sind, ermöglichen.