Availability: Grundlagen Verbrennungsmotoren | Technische Universität München

Grundlagen Verbrennungsmotoren: Funktionsweise und alternative Antriebssysteme Verbrennung, Messtechnik und Simulation

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Bibliographic Details
Other Authors:	Merker, Günter P. 1942- (Editor), Teichmann, Rüdiger 1960- (Editor)
Format:	Book
Language:	German
Published:	Wiesbaden Springer Vieweg [2019]
Edition:	9., korrigierte Auflage
Series:	ATZ/MTZ-Fachbuch
Subjects:	Dieselmotor Verbrennung Computersimulation Antrieb > Technik Ottomotor Emission Abgas Thermodynamik Verbrennungsmotor Abgasnachbehandlungssystem Arbeitsprozessrechnung Einspritzprozess Gesamtprozessanalyse Hubkolbenmotor Reaktionskinetik Strömungsmechanik TRC Lehrbuch
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Physical Description:	LX, 1478 Seiten Illustrationen, Diagramme 25 cm
ISBN:	9783658235567 365823556X

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG ...................................................................................................... 1 GUENTER P. MERKER 1.1 VORBEMERKUNGEN .................................................................................. 1 1.2 MODELLBILDUNG UND SIMULATION ........................................................... 2 1.3 VERBRENNUNGSDIAGNOSTIK ..................................................................... 3 1.4 MOEGLICHKEITEN UND GRENZEN VON SIMULATIONSVERFAHREN ........................ 4 LITERATUR ........................................................................................................... 5 TEIL I FUNKTIONSWEISE VON VERBRENNUNGSMOTOREN 2 PKW-OTTOMOTOREN ....................................................................................... 9 WOLFRAM GOTTSCHALK 2.1 GESETZGEBUNG UND TECHNOLOGISCHE MEILENSTEINE ................................. 9 2.1.1 EMISSIONSGRENZWERTE UND PRUEFZYKLEN .................................... 9 2.1.2 ENTWICKLUNGSSCHWERPUNKTE ................................................... 13 2.2 EMISSIONS-, VERBRAUCHS- UND LEISTUNGSZIELE ...................................... 38 2.3 POTENZIAL DES PKW-OTTOMOTORS ........................................................... 41 LITERATUR ........................................................................................................... 44 3 PKW-DIESELMOTOREN .................................................................................... 47 PETER ECKERT, MAXIMILIAN BRAUER UND FRANK BUNAR 3.1 GESETZGEBUNG UND TECHNOLOGISCHE MEILENSTEINE ................................. 47 3.1.1 ABGASGESETZGEBUNG ................................................................ 47 3.1.2 TECHNOLOGISCHE MEILENSTEINE ................................................. 55 3.2 WEGE ZUM ERREICHEN DER EMISSIONS-, VERBRAUCHS- UND LEISTUNGSZIELE 56 3.2.1 GRUNDMOTOR ............................................................................ 57 3.2.2 AUFLADESYSTEM INKLUSIVE ABGASRUECKFUEHRSTRECKE ..................... 59 3.2.3 EINSPRITZ- UND GEMISCHBILDUNGSSYSTEM ................................. 63 3.2.4 ABGASNACHBEHANDLUNGSSYSTEM .............................................. 67 LITERATUR ........................................................................................................... 72 XXVIII INHALTSVERZEICHNIS 4 DOWNSIZING BEI PKW-MOTOREN ..................................................................... 73 CHRISTIAN EIGLMEIER UND AXEL GROENENDIJK 4.1 DOWNSIZING, DOWNSPEEDING UND RIGHTSIZING ....................................... 75 4.2 SCHLUESSELTECHNOLOGIEN BEIM OTTOMOTOR .............................................. 83 4.3 SCHLUESSELTECHNOLOGIEN BEIM DIESELMOTOR ............................................ 87 LITERATUR ............................................................................................................ 94 5 NUTZFAHRZEUGDIESELMOTOREN ........................................................................... 97 HEIKO LETTMANN UND KARL MADERTHANER 5.1 ANFORDERUNGEN, EINTEILUNG, ENTWICKLUNG UND GESETZGEBUNG ............. 97 5.1.1 ANFORDERUNGEN UND EINTEILUNG .............................................. 97 5.1.2 ENTWICKLUNG SEIT 1970 ........................................................... 99 5.2 BRENNVERFAHREN VON NUTZFAHRZEUGDIESELMOTOREN .................................. 105 5.2.1 HETEROGENE BRENN VERFAHREN ...................................................... 107 5.2.2 HOMOGENE BRENNVERFAHREN ...................................................... 111 5.2.3 BEISPIELE AUSGEFUEHRTER NUTZFAHRZEUGMOTOREN .......................... 113 5.3 KALTSTARTFAEHIGKEIT UND WARMLAUFVERHALTEN ............................................... 116 5.4 BESONDERHEITEN DER AUFLADUNG ................................................................. 117 5.5 MECHANIK DES NUTZFAHRZEUGDIESELMOTORS ............................................... 120 5.6 MOTORBREMSSYSTEME ................................................................................ 122 5.7 NON-ROAD-MOBILE-MACHINERY-MOTOREN ................................................. 126 5.8 POTENZIAL DES NUTZFAHRZEUGDIESELMOTORS ............................................... 128 LITERATUR ............................................................................................................... 129 6 GROSSDIESELMOTOREN .......................................................................................... 131 HINRICH MOHR 6.1 EINFUEHRUNG UND GESETZGEBUNG ................................................................. 131 6.2 SYSTEMINTEGRATION UND -SIMULATION BEI GROSSMOTOREN ............................. 143 6.3 POTENZIALE VON GROSSDIESELMOTOREN ......................................................... 146 LITERATUR ............................................................................................................... 148 7 VIERTAKTSCHNELLLAEUFER ........................................................................................ 149 CHRISTOPH TEETZ UND GERHARD HAUSSMANN 7.1 ALLGEMEINES .......................................................................... 149 7.2 MTU-BAUREIHE 331/396 ..................................................................... 152 7.3 MTU-BAUREIHEN 2000 UND 4000 ......................................................... 153 LITERATUR ............................................................................................................... 157 8 MITTELSCHNELLLAUFENDE VIERTAKTDIESELMOTOREN ............................................... 159 GUNNAR STIESCH 8.1 DEFINITION UND EINORDNUNG ...................................................................... 159 8.2 EINSATZBEREICHE UND ANFORDERUNGEN ...................................................... 160 8.3 THERMODYNAMISCHE MOTOREIGENSCHAFTEN ............................................... 165 INHALTSVERZEICHNIS XXIX 8.4 KONSTRUKTIVE BESONDERHEITEN ................................................................ 169 8.5 EMISSIONSMINDERUNG ............................................................................. 173 9 AUSLEGUNG VON VIERTAKTMOTOREN ..................................................................... 179 GERHARD HAUSSMANN 9.1 AUSLEGUNGSKRITERIEN ................................................................................ 179 9.2 PERSONENKRAFTWAGENMOTOREN ................................................................... 183 9.3 FORMEL- 1 -RENNMOTOREN ........................................................................... 187 9.4 NUTZFAHRZEUGMOTOREN ............................................................................. 188 9.5 SCHNELLLAUFENDE HOCHLEISTUNGSDIESELMOTOREN FUER SCHIFFSANTRIEBE . . . 190 9.6 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................. 197 LITERATUR .............................................................................................................. 198 10 ZWEITAKTLANGSAMLAEUFER .................................................................................. 199 STEFAN MAYER 10.1 ANWENDUNG UND GENERELLER AUFBAU ........................................................ 199 10.2 LADUNGSWECHSEL .................................................................................... 202 10.3 KRAFTSTOFFEINSPRITZUNG ............................................................................. 203 10.4 AUFLADUNG .............................................................................................. 204 10.5 SCHMIERSYSTEM ....................................................................................... 205 10.6 ABGASENERGIERUECKGEWINNUNG ................................................................ 206 10.7 BESONDERHEITEN BEIM BETREIBEN VON LANGSAMLAEUFEM ............................ 206 10.8 ARBEITSPROZESS DES LANGSAMLAEUFERS ...................................................... 207 10.9 EMISSIONEN ............................................................................................ 208 10.10 ENTWICKLUNG ............................................................................................ 208 10.10.1 REDUKTION VON EMISSIONEN ...................................................... 209 10.10.2 DUAL-FUEL- UND GASBETRIEB ........................................................ 212 11 GROSSGASMOTOREN .............................................................................................. 213 ANDREAS WIMMER, RAINER GOLLOCH UND MATTHIAS AUER 11.1 GASFOERMIGE KRAFTSTOFFE .......................................................................... 217 11.2 BRENNVERFAHREN UND REGELUNG ................................................................ 221 11.3 EMISSIONEN UND ABGASGESETZGEBUNG ....................................................... 233 11.4 VERGLEICH GROSSGASMOTOR MIT GROSSDIESELMOTOR ....................................... 237 11.5 ANWENDUNGEN ......................................................................................... 239 11.6 ENTWICKLUNGSMETHODIK .......................................................................... 241 LITERATUR ............................................................................................................. 243 XXX INHALTSVERZEICHNIS 12 NOTWENDIGKEIT VON OPTIMIERUNGSSTRATEGIEN ................................................. 245 CHRISTIAN BEI DL, HANS-MICHAEL KOEGELER, MATS IVARSON UND ANDREAS RAINER 12.1 EINFUEHRUNG ............................................................................................. 246 12.2 MODELLSTRUKTURIERUNG ............................................................................. 248 12.3 MODELLANSAETZE FUER DIE OPTIMIERUNG ......................................................... 255 12.4 BEISPIELE FUER OPTIMIERUNGSAUFGABEN ...................................................... 258 12.4.1 EMISSIONSOPTIMIERUNG DIESELPERSONENKRAFTWAGEN ............... 258 12.4.2 VOLLLASTOPTIMIERUNG OTTOMOTOR ................................................. 271 12.4.3 VARIANTENAUSLEGUNG VON ARBEITSMASCHINEN ............................... 274 LITERATUR ............................................................................................................... 279 13 REALFAHRTSBEZOGENE FUNKTIONS- UND KORREKTURBEDATUNG ............................ 281 CHRISTIAN BEIDL, HANS-MICHAEL KOEGELER, MATS IVARSON UND ANDREAS RAINER 13.1 BEDATUNG VIRTUELLER SENSOREN ................................................................ 281 13.2 KASKADIERTE, MODELLBASIERTE OPTIMIERUNG UND FUNKTIONSBEDATUNG . . . 286 13.2.1 ANTRIEBSSTRANGKONZEPTAUSLEGUNG MIT MODEL-IN-THE-LOOP . . . 287 13.2.2 OPTIMIERUNG DES ENERGIEMANAGEMENTS VON HYBRIDFAHRZEUGEN IN KRITISCHEN ZYKLUSABSCHNITTEN ................................................. 293 13.2.3 BEHERRSCHUNG MEHRSCHICHTIGER OPTIMIERUNGSPROBLEME IN REALFAHRSZENARIEN ................................................................ 297 13.2.4 IDENTIFIKATION KRITISCHER BEREICHE IM TRANSIENTEN VERHALTEN . . 299 13.2.5 TRANSIENTE KORREKTUR ................................................................ 301 13.3 BEISPIEL ZUR HOEHENKORREKTUR AM VIRTUELLEN PRUEFSTAND ............................ 304 13.4 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................. 308 LITERATUR ............................................................................................................... 308 TEIL II ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME 14 ELEKTRIFIZIERTE ANTRIEBSSYSTEME ..................................................................... 313 PETER FISCHER UND STEFAN NEUNTEUFEL 14.1 EINLEITUNG ............................................................................................... 313 14.2 UEBERSICHT UNTERSCHIEDLICHER SYSTEME ...................................................... 314 14.2.1 ENERGIESPEICHER ..................................................... 315 14.2.2 MASCHINEN UND KOMPONENTEN ................................................. 317 14.2.3 FAHRZEUG ALS INTEGRATOR .............................................................. 319 14.3 ENERGIESPEICHER ....................................................................................... 320 14.3.1 LITHIUMIONENBATTERIE ................................................................ 321 14.3.2 LADEMOEGLICHKEITEN UND LADESTROEME ......................................... 330 14.3.3 SUPERKONDENSATOREN ................................................................... 332 14.3.4 HYDROPNEUMATISCHE SPEICHER ................................................... 334 14.3.5 SCHWUNGRADSPEICHER UND KINETIC-ENERGY-RECOVERY-SYSTEM . 336 INHALTSVERZEICHNIS XXXI 14.3.6 VERGLEICH DER VERSCHIEDENEN ENERGIESPEICHER ......................... 338 14.4 ELEKTRISCHE MASCHINEN .......................................................................... 340 14.4.1 ASYNCHRONMASCHINE ................................................................... 341 14.4.2 PERMANENTERREGTE SYNCHRONMASCHINE ...................................... 343 14.4.3 VERGLEICH DER VERSCHIEDENEN ELEKTRISCHEN MASCHINEN .......... 345 14.5 ELEKTRISCHE UND ELEKTRONISCHE KOMPONENTEN ......................................... 346 14.5.1 BORDNETZ UND SPANNUNGSLAGEN ................................................. 346 14.5.2 POWER DISTRIBUTION UNIT ........................................................... 348 14.5.3 LEISTUNGSELEKTRONIK, INVERTER ................................................... 348 14.5.4 STEUERGERAETE UND BUSSYSTEME ................................................... 350 14.6 GETRIEBE FUER HYBRIDE UND ALTERNATIVE ANTRIEBSSTRAENGE ............................ 351 14.6.1 GETRIEBE FUER P2-PARALLELHYBRIDE ................................................ 351 14.6.2 LEISTUNGSVERZWEIGTE HYBRIDE ................................................... 355 14.6.3 CONTINUOUS VARIABLE TRANSMISSION - GETRIEBE MIT ERWEITERUNG DURCH ELEKTROMASCHINEN ........................................................... 358 14.6.4 ELEKTRISCHE ACHSEN .................................................................. 360 14.7 SCHLUSSFOLGERUNG UND AUSBLICK ............................................................. 362 LITERATUR .............................................................................................................. 362 15 HYBRIDANTRIEBE UND RANGE EXTENDER ........................................................... 365 HELMUT TSCHOEKE 15.1 ELEKTRIFIZIERUNG DES ANTRIEBS .................................................................. 365 15.2 HYBRIDANTRIEBE ....................................................................................... 368 15.2.1 EINTEILUNG NACH DEM HYBRIDISIERUNGS- ODER ELEKTRIFIZIERUNGSGRAD ................................................................ 371 15.2.2 EINTEILUNG NACH ENERGIEFLUSS ODER ANTRIEBSARCHITEKTUR .......... 374 15.3 RANGE EXTENDER ....................................................................................... 377 15.3.1 DEFINITION .................................................................................. 377 15.3.2 ANFORDERUNGEN .......................................................................... 379 15.4 AUSWIRKUNGEN AUF DEN VERBRENNUNGSMOTOR ........................................... 385 LITERATUR .............................................................................................................. 389 16 GRUNDLAGEN DER BRENNSTOFFZELLENTECHNOLOGIE .............................................. 391 JUERGEN RECHBERGER 16.1 EINFUEHRUNG ............................................................................................ 391 16.2 FUNKTIONSPRINZIP .................................................................................... 391 16.3 BRENNSTOFFZELLENTYPEN ............................................................................ 392 16.3.1 PROTONENAUSTAUSCHMEMBRAN-BRENNSTOFFZELLE ............................ 394 16.3.2 FESTOXIDBRENNSTOFFZELLE ............................................................. 394 16.4 BRENNSTOFFZELLEN FUER AUTOMOBILE ANWENDUNGEN .................................... 395 16.4.1 AUFBAU EINES PROTONENAUSTAUSCHMEMBRAN-BRENNSTOFFZELLEN- STACKS ....................................................................................... 396 XXXII INHALTSVERZEICHNIS 16.4.2 FUNKTIONSWEISE EINES AUTOMOBILEN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS . 397 16.4.3 ANTRIEBSARCHITEKTUR FUER EIN BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG .......... 402 16.4.4 BRENNSTOFFZELLENSERIENFAHRZEUGE .............................................. 402 16.4.5 WASSERSTOFFSPEICHER ...................................................................404 16.4.6 FESTSTOFFOXID-BRENNSTOFFZELLSYSTEME ZUR REICHWEITENVERLAENGERUNG ........................................................ 406 16.5 VERGLEICH VON BATTERIEELEKTRISCHEN UND BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUGEN . . 411 16.5.1 ENERGIEEFFIZIENZ ........................................................................ 411 16.5.2 KOSTEN ....................................................................................... 412 16.5.3 LADE-UND BETANKUNGSINFRASTRUKTUR ......................................... 413 16.5.4 SCHLUSSFOLGERUNGEN ................................................................... 415 16.5.5 AUFBAU EINES FESTSTOFFOXID-BRENNSTOFFZELLEN-STACKS ............. 418 16.5.6 FUNKTIONSPRINZIP EINES STATIONAEREN FESTSTOFFOXID- BRENNSTOFFZELLEN-SYSTEMS ........................................................ 420 LITERATUR .............................................................................................................. 422 17 DER VERBRENNUNGSMOTOR ALS TEIL DES GESAMTEN ANTRIEBSSTRANGS ............. 425 GUNTER FRAIDL UND PAUL KAPUS 17.1 ANFORDERUNGEN AN DEN ANTRIEBSSTRANG ................................................... 425 17.2 ZIELWERTFESTLEGUNGEN AUF FAHRZEUGEBENE .............................................. 428 17.2.1 BENCHMARKING .......................................................................... 428 17.2.2 ATTRIBUTE ENGINEERING ................................................................ 429 17.3 EINBINDUNG DES VERBRENNUNGSMOTORS IN DAS FAHRZEUGGESAMTSYSTEM . 430 17.3.1 MECHANISCH-FUNKTIONALE INTEGRATION DES VERBRENNUNGSMOTORS 432 17.3.2 ENERGETISCHE INTEGRATION DES VERBRENNUNGSMOTORS ............... 436 17.3.3 INTEGRATION DES VERBRENNUNGSMOTORS AUF SOFTWARE-ZDATENEBENE .............................................................. 441 LITERATUR .............................................................................................................. 443 18 ZUKUNFT DES VERBRENNUNGSMOTORS ................................................................ 445 ULRICH SPICHER 18.1 EINLEITUNG ............................................................................................... 445 18.2 DIE ROLLE DER VERBRENNUNGSMOTOREN FUER DIE MOBILITAET DER ZUKUNFT . . 447 18.2.1 GESETZGEBUNG UND EMISSIONSVORSCHRIFTEN ...............................450 18.2.2 OBJEKTIVE BEURTEILUNG VON ANTRIEBSKONZEPTEN ..........................454 18.2.3 CO 2 -EFFIZIENZ BEI LEBENSZYKLUSBETRACHTUNGEN ....................... 469 18.3 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................. 475 LITERATUR .............................................................................................................. 476 19 VERBRENNUNGSMOTOREN - GESTERN, HEUTE, MORGEN ......................................... 479 HELMUT EICHLSEDER 19.1 ALTERNATIVE KONZEPTE ............................................................................. 479 INHALTSVERZEICHNIS XXXIII 19.1.1 STIRLINGMOTOR ............................................................................. 479 19.1.2 DAMPFMOTOR .............................................................................482 19.1.3 GASTURBINEN ............................................................................... 483 19.1.4 WANKELMOTOR .............................................................................484 19.1.5 ZWEITAKTMOTOR .......................................................................... 485 19.1.6 BRENNSTOFFZELLE .......................................................................... 487 19.2 ENTWICKLUNGSPOTENZIAL DES VERBRENNUNGSMOTORS ................................. 488 LITERATUR .............................................................................................................. 507 TEIL III THERMODYNAMISCHE UND CHEMISCHE GRUNDLAGEN 20 THERMODYNAMISCHE GRUNDLAGEN .................................................................. 513 GUENTER P. MERKER 20.1 ENERGIEWANDLUNG .................................................................................... 513 20.2 KINEMATIK DES KURBELTRIEBS .................................................................. 514 20.3 KREISPROZESSE ......................................................................................... 518 20.3.1 GRUNDLAGEN ............................................................................... 518 20.3.2 GESCHLOSSENE KREISPROZESSE ...................................................... 524 20.3.3 OFFENE VERGLEICHSPROZESSE ........................................................ 531 20.4 VOM IDEAL- ZUM REALPROZESS .................................................................. 533 20.4.1 VERLUSTTEILUNG ............................................................................. 533 20.4.2 KENNGROESSEN UND KENNWERTE ...................................................... 534 20.4.3 MOTORPROZESSE .......................................................................... 537 LITERATUR .............................................................................................................. 540 21 BRENNSTOFFE ...................................................................................................... 541 PETER ECKERT, HELMUT EICHLSEDER, SEBASTIAN RAKOWSKI UND HELMUT TSCHOEKE 21.1 KONVENTIONELLE BRENNSTOFFE .................................................................. 541 21.1.1 GESETZGEBUNG .......................................................................... 541 21.1.2 ZUSAMMENSETZUNG ..................................................................... 542 21.1.3 WEITERE BESTANDTEILE KONVENTIONELLER BRENNSTOFFE .................. 545 21.1.4 BENZIN- UND OTTOBRENNSTOFFE ................................................... 548 21.1.5 DIESELBRENNSTOFFE ..................................................................... 549 21.1.6 BRENNSTOFFE FUER MARINEANWENDUNGEN ...................................... 550 21.2 ZUKUENFTIGE BRENNSTOFFE .......................................................................... 551 21.2.1 OTTOBRENNSTOFFE ....................................................................... 554 21.2.2 DIESELBRENNSTOFFE ..................................................................... 561 LITERATUR ............................................................................................................. 571 22 REAKTIONSKINETIK .............................................................................................. 575 GUNNAR STIESCH UND PETER ECKERT 22.1 GRUNDLAGEN ............................................................................................ 575 XXXIV INHALTSVERZEICHNIS 22.1.1 CHEMISCHES GLEICHGEWICHT ...................................................... 575 22.1.2 REAKTIONSGESCHWINDIGKEIT ........................................................ 579 22.1.3 PARTIELLES GLEICHGEWICHT UND QUASISTATIONARITAET ....................... 580 22.2 REAKTIONSKINETIK VON KOHLENWASSERSTOFFEN ............................................ 583 22.2.1 OXIDATION VON KOHLENWASSERSTOFFEN ......................................... 583 22.2.2 ZUENDVORGAENGE .......................................................................... 586 22.2.3 REAKTIONSKINETIK IN DER MOTORISCHEN SIMULATION ...................... 592 LITERATUR ............................................................................................................... 597 23 BENZINVERBRENNUNG ........................................................................................... 599 WOLFRAM GOTTSCHALK 23.1 GEMISCHBILDUNG ..................................................................................... 599 23.1.1 HOMOGENBETRIEB MIT SAUGROHREINSPRITZUNG ............................ 601 23.1.2 HOMOGENBETRIEB MIT DIREKTEINSPRITZUNG ........................... 602 23.1.3 SCHICHTBETRIEB MIT DIREKTEINSPRITZUNG ................................ 602 23.1.4 HOMOGENE SELBSTZUENDUNG .................................................. 605 23.2 ZUENDUNG UND VERBRENNUNGSABLAUF ........................................................ 607 23.2.1 AUFBAU DER ELEKTRISCHEN ZUENDANLAGE ....................................... 607 23.2.2 BEREITSTELLUNG DER ELEKTRISCHEN ENERGIE .............................. 608 23.2.3 VERLAUF DER ELEKTRISCHEN FREMDZUENDUNG ................................. 608 23.2.4 AUSLENKUNG UND ABRISS DES ZUENDFUNKENS, NEBENSCHLUSS . . . 609 23.2.5 WAERMEWERT, SELBSTREINIGUNGSFAEHIGKEIT UND ELEKTRODENABSTAND 609 23.2.6 OPTIMIERTE UND ALTERNATIVE ZUENDSYSTEME ........................... 610 23.2.7 FLAMMFRONTENTWICKLUNG UND EINFLUSS DER TURBULENZ ......... 611 23.2.8 VERBRENNUNGSGESCHWINDIGKEIT UND HEIZ- BZW. BRENNVERLAUF . 613 23.3 IRREGULAERE VERBRENNUNGSPHAENOMENE ...................................................... 614 23.3.1 KLOPFENDE VERBRENNUNG ..................................................... 616 23.3.2 REAKTIONSKINETISCHE VORENTFLAMMUNG ................................ 617 23.3.3 FREMDINDUZIERTE VORENTFLAMMUNG BZW. GLUEHZUENDUNG ....... 618 23.4 ROHEMISSIONEN UND INNERMOTORISCHE SCHADSTOFFREDUKTION .................... 619 23.4.1 ABHAENGIGKEIT DER EMISSIONSKOMPONENTEN VON LUFTVERHAELTNIS UND VERBRENNUNGSTEMPERATUR ................................................... 620 23.4.2 VERHAELTNIS DER EMISSIONSKOMPONENTEN UND BETRIEBSPUNKTABHAENGIGKEIT ................................................. 620 23.4.3 EMISSIONSVERHALTEN BEI VARIATION VON EINSPRITZTIMING UND RADDRUCK .......................................................................... 621 23.4.4 EMISSIONSVERHALTEN BEI INTERNER ABGASRUECKFUEHRUNG ......... 623 23.4.5 EMISSIONSVERHALTEN BEI ALTERNATIVEN FLUESSIGKRAFTSTOFFEN .... 623 23.4.6 EMISSIONSVERHALTEN IM SCHICHTBETRIEB BEI OTTOMOTOREN MIT DIREKTEINSPRITZUNG ....................................................... 626 23.4.7 EMISSIONSVERHALTEN BEI ENTDROSSELUNG MIT VARIABLEM VENTILTRIEB ............................................................................ 627 INHALTSVERZEICHNIS XXXV 23.4.8 EMISSIONSVERHALTEN BEI DRALLLADUNGSBEWEGUNG MIT VARIABLEM VENTILTRIEB ........................................................... 629 23.4.9 EINFLUSS DES EMISSIONSVERHALTENS DURCH DAS VERDICHTUNGSVERHAELTNIS ........................................... 629 23.4.10 EMISSIONSVERHALTEN BEI BRENNVERFAHREN MIT HOMOGENER SELBSTZUENDUNG ................................................. 629 LITERATUR .............................................................................................................. 635 24 DIESELVERBRENNUNG ......................................................................................... 639 PETER ECKERT UND SEBASTIAN RAKOWSKI 24.1 GEMISCHBILDUNG .................................................................................... 640 24.2 SELBSTZUENDUNG UND VERBRENNUNGSABLAUF ................................................. 643 24.3 ROHEMISSIONEN DES DIESELMOTORS ........................................................... 647 24.3.1 EINSPRITZPARAMETER .................................................................. 648 24.3.2 ABGASRUECKFUEHRUNG UND AUFLADUNG ............................................ 657 24.3.3 HOMOGENISIERUNG/ALTEMATIVE BRENNVERFAHREN .......................... 659 24.3.4 EMISSIONEN IM TRANSIENTEN BETRIEB ........................................... 661 24.4 POTENZIAL DES DIESELMOTORS ..................................................................... 663 LITERATUR .............................................................................................................. 664 TEIL IV GEMISCHBILDUNG 25 LADUNGSWECHSEL .............................................................................................. 669 HELMUT EICHLSEDER UND PETER GRABNER 25.1 STEUERUNG .............................................................................................. 669 25.2 WICHTIGE KENNGROESSEN DES LADUNGSWECHSELS (AUSZUG AUS DIN 1940). 671 25.3 ABGASRUECKFUEHRUNG .................................................................................. 672 25.4 VARIABILITAETEN IM LADUNGSWECHSEL ........................................................ 675 25.4.1 SAUGANLAGEN ............................................................................ 675 25.4.2 LADUNGSBEWEGUNGSKLAPPEN (DRALL UND TUMBLE) ...................... 675 LITERATUR .............................................................................................................. 678 26 BENZINEINSPRITZSYSTEME .................................................................................. 681 ROGER BUSCH 26.1 SAUGROHREINSPRITZUNG ............................................................................ 682 26.1.1 AUFBAU DER SAUGROHREINSPRITZUNG ........................................... 682 26.1.2 ARBEITSWEISE DER SAUGROHREINSPRITZUNG .................................... 686 26.1.3 ELEKTROMAGNETISCHE EINSPRITZVENTILE ......................................... 688 26.1.4 KRAFTSTOFFVERTEILER ..................................................................... 690 26.1.5 GEMISCHBILDUNG ....................................................................... 691 26.1.6 ADVANCED PORT FUEL INJECTION ................................................... 694 26.2 DIREKTEINSPRITZUNG ................................................................................. 696 XXXVI INHALTSVERZEICHNIS 26.2.1 AUFBAU DIREKTEINSPRITZUNG ...................................................... 697 26.2.2 ARBEITSWEISE ............................................................................. 697 26.2.3 BRENNVERFAHREN UND GEMISCHBILDUNG ...................................... 703 26.2.4 MECHATRONISCHE SYSTEMKONZEPTE .............................................. 706 26.3 WASSEREINSPRITZUNG ................................................................................ 708 26.3.1 VORTEILE DER WASSEREINSPRITZUNG .............................................. 708 26.3.2 AUFBAU EINES WASSEREINSPRITZSYSTEMS ....................................... 711 LITERATUR ............................................................................................................... 712 27 DIESELEINSPRITZSYSTEME ..................................................................................... 713 THOMAS WINTRICH, KAI SUTTER, GERD LOESCH, ANDREAS RETTICH UND JUERGEN HAMMER 27.1 GRUNDFUNKTIONEN ..................................................................................... 713 27.2 BAUARTEN .................................................................................................. 714 27.2.1 UEBERSICHT .................................................................................. 714 27.2.2 HUB-/DRUCK-STEUERUNG DER DUESENNADEL .................................... 716 27.3 COMMON-RAIL-SYSTEM ............................................................................. 717 27.3.1 NIEDERDRUCKSYSTEM ................................................................... 717 27.3.2 HOCHDRUCKSYSTEM ..................................................................... 719 27.4 HOCHDRUCKPUMPEN .................................................................................. 722 27.4.1 AUFBAU UND FUNKTION ................................................................ 722 27.4.2 MENGENREGELUNG ........................................................................ 724 27.4.3 HAUPTBAUARTEN FUER PERSONENKRAFTWAGEN .................................... 726 27.5 RAIL UND ANBAUKOMPONENTEN ................................................................ 727 27.6 COMMON-RAIL-INJEKTOREN ........................................................................ 731 27.6.1 DUESEN FUER COMMON-RAIL-INJEKTOREN ......................................... 731 27.6.2 MAGNETVENTILINJEKTOR MIT KUGELSITZVENTIL ................................. 734 27.6.3 MAGNETVENTILINJEKTOR MIT SCHIEBERVENTIL ................................. 737 27.6.4 PIEZO-INLINE-INJEKTOREN .............................................................. 740 27.7 ZUMESSFUNKTIONEN .................................................................................. 743 LITERATUR .............................................................................................................. 744 28 EINSPRITZUNG FUER GROSSDIESELMOTOREN .............................................................. 745 HARTMUT SCHNEIDER, CLEMENS SENGHAAS UND RALPH-MICHAEL SCHMIDT 28.1 GESCHICHTLICHER RUECKBLICK ..................................................................... 745 28.2 PUMPE-LEITUNG-DUESE-EINSPRITZSY STEME ................................................. 750 28.3 PUMPE-DUESE-EINSPRITZSYSTEME .............................................................. 753 28.4 SPEICHEREINSPRITZSYSTEME ........................................................................ 755 28.4.1 COMMON-RAIL-SYSTEME DER ERSTEN GENERATION .......................... 755 28.4.2 COMMON-RAIL-SYSTEME DER ZWEITEN GENERATION ....................... 759 28.4.3 COMMON-RAIL-SYSTEME DER DRITTEN GENERATION ....................... 761 28.4.4 SCHWEROEL-COMMON-RAIL-SYSTEMC ............................................ 762 INHALTSVERZEICHNIS XXXVII 28.5 DERIVATE .................................................................................................. 764 28.5.1 EINSPRITZVENTILE FUER GASMOTOREN .............................................. 764 28.5.2 WASSEREINSPRITZSYSTEM ............................................................. 766 28.5.3 EINSPRITZSYSTEME FUER SONDERKRAFTSTOFFE .................................... 766 LITERATUR .............................................................................................................. 767 29 AUFLADEVERFAHREN ............................................................................................ 769 ROLAND BAAR 29.1 EINFUEHRUNG ............................................................................................ 769 29.1.1 NATUERLICHE AUFLADUNG ................................................................ 771 29.1.2 DRUCKWELLENAUFLADUNG ............................................................. 772 29.1.3 KOMPRESSORAUFLADUNG ................................................................ 772 29.1.4 ABGASTURBOAUFLADUNG ................................................................774 29.2 AUFBAU UND FUNKTION VON TURBOLADERN ................................................. 775 29.3 REGELUNG ................................................................................................. 785 29.4 ANPASSUNG VON TURBOLADERN AN VERBRENNUNGSMOTOREN .......................... 788 29.5 ERWEITERTE TURBOLADERMODELLIERUNG ...................................................... 795 LITERATUR .............................................................................................................. 799 30 AUFLADESYSTEME ................................................................................................. 801 ROLAND BAAR 30.1 LADERKOMBINATIONEN UND ELEKTRIFIZIERUNG .............................................. 801 30.1.1 ZWEISTUFIG GEREGELTE AUFLADUNG AUS ZWEI ABGASTURBOLADERN . 801 30.1.2 ZWEISTUFIG GEREGELTE AUFLADUNG AUS ABGASTURBOLADER UND KOMPRESSOR ........................................................................ 802 30.1.3 REGISTERAUFLADUNG ..................................................................... 803 30.1.4 ELEKTRISCH UNTERSTUETZTE AUFLADUNG ........................................... 805 30.2 SONSTIGES ................................................................................................. 806 30.2.1 LADELUFTKUEHLUNG ....................................................................... 806 30.2.2 ABGASRUECKFUEHRUNG ..................................................................... 806 30.2.3 STAU- UND STOSSAUFLADUNG ........................................................... 807 30.2.4 KENNFELDSTABILISIERENDE MASSNAHMEN AM VERDICHTER .............. 808 30.2.5 SCHUBUMLUFT ............................................................................ 808 LITERATUR .............................................................................................................. 809 31 THERMOMANAGEMENT ....................................................................................... 811 RAIMUND ALMBAUER, ANDREAS ENNEMOSER, HEINZ PETUTSCHNIG UND ARMIN TRAUSSNIG 31.1 EINLEITUNG .............................................................................................. 811 31.1.1 BEGRIFFLICHE ABGRENZUNG ........................................................... 813 31.1.2 THERMOMANAGEMENT ENTWICKLUNGSZIELE VKM ....................... 814 31.2 THERMOMANAGEMENTMASSNAHMEN VKM ................................................. 816 XXXVIII INHALTSVERZEICHNIS 31.2.1 UEBERBLICK .................................................................................. 817 31.3 MODELLBILDUNG UND SIMULATION .............................................................. 818 31.3.1 GESAMTFAHRZEUGSIMULATION ...................................................... 818 31.3.2 GRUNDGLEICHUNGEN FUER ENERGIEERHALTUNG UND WAERMEUEBERTRAGUNG FUER DEN AUFBAU THERMISCHER MODELLE ..................................................................................... 819 31.3.3 GRUNDGLEICHUNGEN FLUIDMECHANIK ............................................ 831 31.3.4 MODELLIERUNG AUSGEWAEHLTER KOMPONENTEN ............................... 837 31.4 BETRIEBSSTRATEGIE UND REGELUNG .............................................................. 842 31.4.1 TEMPERATURREGELUNG ................................................................... 843 31.5 AUSGEWAEHLTE ANWENDUNGSFAELLE DES THERMOMANAGEMENTS ..................... 845 31.5.1 JAHRESENERGIEBILANZANALYSE FUER HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGE 845 31.5.2 KONZEPTAUSWAHL GEREGELTE OELPUMPE UND KOLBENRINGE .......... 846 31.5.3 NO WASTE EU-PROJEKT, RESTWAERMENUTZUNG IM NUTZFAHRZEUG MIT RANKINE-ZYKLUS ............................................ 847 LITERATUR ............................................................................................................... 849 TEIL V VERBRENNUNGSDIAGNOSTIK 32 DRUCKINDIZIERUNG ............................................................................................. 853 RUEDIGER TEICHMANN UND ANDREAS WIMMER 32.1 ALLGEMEINES ............................................................................................. 854 32.2 DIE INDIZIERMESSKETTE ............................................................................. 857 32.2.1 PIEZOELEKTRISCHE DRUCKAUFNEHMER ............................................ 858 32.2.2 PIEZOMATERIALIEN ........................................................................ 860 32.2.3 AUFBAU VON PIEZOELEKTRISCHEN DRUCKAUFNEHMERN ..................... 864 32.2.4 ABSOLUTDRUCKMESSENDE SENSOREN .............................................. 866 32.2.5 LADUNGSVERSTAERKER ..................................................................... 868 32.2.6 INDIZIERGERAET ............................................................................. 870 32.2.7 MESSVERKABELUNG ..................................................................... 873 32.2.8 WINKELAUFNEHMER ..................................................................... 873 32.3 EINFLUESSE AUF DIE MESSGENAUIGKEIT ......................................................... 877 32.3.1 AEUSSERE EINFLUESSE AUF DEN SENSOR .............................................. 877 32.3.2 OT-ZUORDNUNG ........................................................................... 879 32.3.3 BESTIMMUNG DES DRUCKNIVEAUS ................................................. 882 32.4 KENNWERTE INFOLGE VON AEUSSEREN EINFLUESSEN AUF DEN SENSOR ............... 886 32.4.1 TEMPERATURBEDINGTE EMPFINDLICHKEITSAENDERUNG ....................... 886 32.4.2 LASTWECHSELDRIFT ........................................................................ 890 32.5 VARIANTEN FUER DIE SENSORADAPTIERUNG ...................................................... 891 32.5.1 ZUENDKERZENADAPTIERUNG ........................................................... 891 32.5.2 DRUCKINDIZIERUNG MIT EINGRIFF AM VERSUCHSTRAEGER ............... 894 INHALTSVERZEICHNIS XXXIX 32.6 ELEKTRISCHE DRIFT AM LADUNGSVERSTAERKER ................................................. 897 32.7 DRUCKINDIZIERUNG IM EIN- UND AUSLASSSYSTEM ...................................... 898 32.7.1 PIEZOELEKTRISCHE DRUCKAUFNEHMER ............................................ 899 32.7.2 PIEZORESISTIVE DRUCKAUFNEHMER ................................................. 900 LITERATUR .............................................................................................................. 901 33 DRUCKVERLAUFSANALYSE .................................................................................... 903 RUEDIGER TEICHMANN UND ANDREAS WIMMER 33.1 BESTIMMUNG DES BRENNVERLAUFES ........................................................... 903 33.1.1 ERFASSUNG DES DRUCKSIGNALS ...................................................... 903 33.1.2 AUSWERTUNG DES DRUCKSIGNALS ................................................... 904 33.2 VERLUSTTEILUNG ......................................................................................... 907 33.2.1 VERLUSTE AUS UNVOLLSTAENDIGER/UNVOLLKOMMENER VERBRENNUNG . 909 33.2.2 VERBRENNUNGSVERLUSTE ................................................................ 909 33.2.3 WANDWAERMEVERLUSTE .................................................................. 910 33.2.4 LADUNGSWECHSELVERLUSTE ........................................................... 910 33.3 VERGLEICH UNTERSCHIEDLICHER BRENNVERFAHREN ......................................... 910 33.3.1 VERGLEICH DER BRENNVERLAEUFE UNTERSCHIEDLICHER BRENNVERFAHREN 911 33.3.2 VERGLEICH DER VERLUSTTEILUNG UNTERSCHIEDLICHER BRENNVERFAHREN 911 LITERATUR .............................................................................................................. 913 34 OPTISCHE MESSVERFAHREN .................................................................................. 915 ERNST WINKLHOFER 34.1 EINLEITUNG .............................................................................................. 915 34.2 ANWENDUNGSGEBIETE OPTISCHER METHODEN IM TABELLARISCHEN UEBERBLICK 916 34.3 BEISPIELE OPTISCHER METHODEN ................................................................ 917 34.4 DIESELMOTOREN ....................................................................................... 918 34.4.1 BRENNRAUMENDOSKOPIE ............................................................. 919 34.4.2 FLAMMENBILDAUSWERTUNG ........................................................... 920 34.4.3 RUSSBILDUNG - RUSSABBRAND VARIANTENANALYSE ............................ 921 34.4.4 RUSSBEWERTUNG MIT DER ZWEIFARBENMETHODE ............................ 922 34.5 OTTOMOTOREN ............................................................................................ 924 34.5.1 EMISSIONEN: BEWERTEN DER GEMISCHBILDUNG AUS EINER MESSUNG DER FLAMMENSTRAHLUNG ............................................................. 924 34.5.2 ANWENDUNGSBEISPIELE ............................................................. 927 34.5.3 VERBRENNUNGSSTABILITAET: STROEMUNG, EGR, LAMBDA ............... 930 34.5.4 IRREGULAERE VERBRENNUNG ............................................................. 934 34.5.5 BERUEHRUNGSLOSE TEMPERATURMESSUNG ...................................... 936 34.6 LASERMESSTECHNIKEN ............................................................................... 937 34.7 AUSBLICK VERBRENNUNGSDIAGNOSTIK ........................................................ 938 LITERATUR ............................................................................................................. 939 XL INHALTSVERZEICHNIS TEIL VI EMISSIONEN 35 SCHADSTOFFBILDUNG ............................................................................................. 943 PETER ECKERT UND SEBASTIAN RAKOWSKI 35.1 ABGASZUSAMMENSETZUNG ........................................................................ 943 35.2 INNERMOTORISCHE SCHADSTOFFBILDUNG UND -REDUKTION ............................... 945 35.2.1 KOHLENMONOXID (CO) ................................................................ 950 35.2.2 UNVERBRANNTE KOHLENWASSERSTOFFE (HC) ................................. 951 35.2.3 PARTIKELEMISSION BEIM DIESELMOTOR ......................................... 958 35.2.4 STICKOXIDE .................................................................................. 967 LITERATUR ............................................................................................................... 974 36 NACHMOTORISCHE SCHADSTOFFREDUKTION ........................................................... 979 PETER ECKERT UND SEBASTIAN RAKOWSKI 36.1 HETEROGENE KATALYSE ................................................................................ 980 36.2 DEAKTIVIERUNGSMECHANISMEN ................................................................ 982 36.3 OXIDATIONSKATALYSATOREN ........................................................................ 984 36.4 DREIWEGEKATALYSATOREN .......................................................................... 988 36.5 NO X -SPEICHERKATALYSATOREN ................................................................... 990 36.6 SELEKTIVE KATALYTISCHE REDUKTION (SCR) ................................................. 992 36.7 PARTIKELFILTER ............................................................................................ 999 LITERATUR ............................................................................................................. 1004 37 EMISSIONSMESSTECHNIK ................................................................................... 1009 ALEXANDER BERGMANN, KURT ENGELJEHRINGER UND RUEDIGER TEICHMANN 37.1 EINFUEHRUNG ........................................................................................... 1009 37.2 MESSGASAUFBEREITUNG ........................................................................... 1010 37.2.1 MESSGASAUFBEREITUNG ABGASMESSANLAGE ................................ 1010 37.2.2 MESSGASAUFBEREITUNG DURCH VERDUENNUNG ................................ 1014 37.2.3 UNVERDUENNTE VERSUS VERDUENNTE ABGASMESSUNG ..................... 1016 37.3 MESSUNG GASFOERMIGER BESTANDTEILE ....................................................... 1017 37.3.1 NDIR - NICHTDISPERSIVER INFRAROTDETEKTOR ................................ 1018 37.3.2 EID - FLAME IONISATION DETECTOR ............................................ 1020 37.3.3 CLD - CHEMOLUMINESZENZ DETEKTOR .................... 1021 37.3.4 PMD - PARAMAGNETISCHER DETEKTOR ....................................... 1022 37.3.5 FTIR - FOURIER-TRANSFORM INFRAROTSPEKTROSKOPIE ................... 1022 37.3.6 LDS - LASER-DIODEN-SPEKTROSKOPIE ....................................... 1024 37.4 MESSUNG FESTER BESTANDTEILE ................................................................. 1024 37.4.1 MESSUNG DER PARTIKEL ENTSPRECHEND GESETZLICHER VORGABEN . .1024 37.4.2 BESTIMMUNG VON PARTIKELEIGENSCHAFTEN IM ABGAS MIT ALTERNATIVEN VERFAHREN ....................................................... 1027 LITERATUR ............................................................................................................. 1033 INHALTSVERZEICHNIS XLI 38 RDE UND NEUE TESTZYKLEN .............................................................................. 1035 KURT ENGELJEHRINGER 38.1 EINFUEHRUNG .......................................................................................... 1035 38.2 GESETZGEBUNG ........................................................................................ 1036 38.3 RDE-TEST UND RANDBEDINGUNGEN ......................................................... 1038 38.4 PEMS-MESSTECHNIK .............................................................................. 1040 LITERATUR ........................................................................................................... 1042 TEIL VII 0D- UND ID- MOTORPROZESSRECHNUNG 39 NULLDIMENSIONALE MODELLIERUNG ................................................................... 1045 FRANZ CHMELA, GERHARD PIRKER UND ANDREAS WIMMER 39.1 GRUNDGLEICHUNGEN ................................................................................ 1047 39.2 STOFFWERTE ............................................................................................. 1050 39.3 CHEMISCHES GLEICHGEWICHT ................................................................... 1051 39.4 EIN- UND MEHRZONENMODELLE ................................................................. 1055 39.4.1 EINZONENMODELL ..................................................................... 1055 39.4.2 ZWEIZONENMODELL ................................................................... 1057 39.4.3 MEHRZONENMODELLE ................................................................. 1061 39.5 SIMULATION ............................................................................................. 1061 39.5.1 ERSATZBRENNVERLAEUFE ................................................................. 1061 39.5.2 VERBRENNUNGSMODELLE .............................................................. 1063 39.5.3 GRUNDSAETZLICHE ANSAETZE ZUR MODELLIERUNG VON ZUENDVERZUG UND BRENNRATE ........................................................................ 1063 LITERATUR ........................................................................................................... 1066 40 WAERMEUEBERGANG ........................................................................................... 1069 FRANZ CHMELA, GERHARD PIRKER UND ANDREAS WIMMER 40.1 ALLGEMEINES .......................................................................................... 1069 40.2 MODELLE AUF BASIS DES NEWTON * SCHEN ANSATZES .................................. 1071 40.2.1 WAERMEUEBERGANGSBEZIEHUNG NACH WOSCHNI ............................. 1072 40.2.2 WAERMEUEBERGANGSBEZIEHUNG NACH HOHENBERG ........................ 1073 40.3 PHYSIKALISCHE MODELLE ....................................................................... 1074 40.4 STROEMUNGSFELDORIENTIERTE ANSAETZE ......................................................... 1076 40.4.1 WAERMEUEBERGANG NACH BARGENDE ............................................ 1076 40.4.2 WAERMEUEBERGANG NACH WIMMER (2000), PIVEC (2001) UND SCHUBERT ET AL. (2005) .............................................................. 1077 40.5 STRAHLUNGSWAERMEUEBERGANG ................................................................... 1079 LITERATUR ............................................................................................................ 1082 XLII INHALTSVERZEICHNIS 41 MODELLIERUNG DES LADUNGSWECHSELS ............................................................ 1083 FRANZ CHMELA, GERHARD PIRKER UND ANDREAS WIMMER 41.1 GRUNDLAGEN ........................................................................................... 1083 41.1.1 FUELL- UND ENTLEERMETHODE ....................................................... 1084 41.1.2 GASDYNAMISCHE BETRACHTUNG .................................................. 1085 41.2 KOPPELUNGSANSAETZE ................................................................................. 1091 41.2.1 EINDIMENSIONALE LADUNGSWECHSELRECHNUNG UND MOTORPROZESSRECHNUNG ............................................................ 1092 41.2.2 EINDIMENSIONALE LADUNGSWECHSELRECHNUNG UND 3-D-CFD-SIMULATION .............................................................. 1096 LITERATUR ............................................................................................................. 1096 42 GESAMTSIMULATION ........................................................................................... 1099 FRANZ CHMELA, GERHARD PIRKER UND ANDREAS WIMMER 42.1 TRANSIENTE SIMULATION ........................................................................... 1099 42.2 HYDRAULIKSIMULATION .............................................................................. 1100 42.2.1 AUFBAU EINES SIMULATIONSPROGRAMMS FUER HYDRAULISCHE SYSTEME ................................................................................... 1101 42.2.2 KAVITATION ................................................................................ 1105 42.3 GESAMTFAHRZEUGSIMULATION .................................................................... 1107 42.3.1 THERMISCHES MOTORMODELL ...................................................... 1109 42.3.2 WAERMEEINTRAGSMODELL ............................................................ 1110 42.3.3 REIBUNGSMODELL ...................................................................... 1111 42.3.4 PROGNOSEGENAUIGKEIT ............................................................... 1113 42.4 VEREINFACHTE MODELLIERUNG AUF BASIS VON MITTELWERTMODELLEN ........... 1115 LITERATUR ............................................................................................................. 1117 TEIL VIII PHAENOMENOLOGISCHE VERBRENNUNGSMODELLE 43 VERBRENNUNGSMODELLE FUER OTTOMOTOREN ....................................................... 1121 GUNNAR STIESCH, FRIEDRICH DINKELACKER UND SEBASTIAN RAKOWSKI 43.1 LAMINARE UND TURBULENTE FLAMMENGESCHWINDIGKEIT ............................... 1124 43.2 WAERMEFREISETZUNG ................................................................................. 1126 43.3 ZUENDUNG ................................................................................................ 1129 43.4 KLOPFEN ................................................................................................ 1130 LITERATUR ............................................................................................................. 1131 44 VERBRENNUNGSMODELLE FUER DIESELMOTOREN .................................................... 1133 GUNNAR STIESCH 44.1 NULLDIMENSIONALE BRENNVERLAUFSFUNKTION ............................................. 1133 44.2 STATIONAERER GASSTRAHL ........................................................................... 1135 44.3 PAKETMODELLE ........................................................................................ 1140 INHALTSVERZEICHNIS XUII 44.4 ZEITSKALENMODELLE ................................................................................ 1147 LITERATUR ............................................................................................................ 1151 45 VERBRENNUNGSMODELLE FUER GROSSGASMOTOREN ............................................... 1153 FRANZ CHMELA, GERHARD PIRKER, ANDREAS WIMMER UND FRIEDRICH DINKELACKER 45.1 ZUEND VERZUG .......................................................................................... 1154 45.2 BRENNRATE BEIM OTTOGASMOTOR MIT OFFENEM BRENNRAUM ..................... 1155 45.3 BRENNRATE BEIM OTTOGASMOTOR MIT VORKAMMER ..................................... 1156 45.4 KLOPFEN ............................................................................................... 1159 45.5 NO X -EMISSIONEN ................................................................................... 1161 45.6 METHANEMISSIONEN ................................................................................ 1162 LITERATUR ............................................................................................................ 1162 46 ABGASNACHBEHANDLUNGSSYSTEME ................................................................... 1165 REINHARD TATSCHI UND JOHANN WURZENBERGER 46.1 METHODEN DER ABGASNACHBEHANDLUNG ................................................. 1165 46.2 MODELLBILDUNG UND SIMULATION ............................................................ 1167 46.3 ABGASKATALYSATOREN .............................................................................. 1168 46.3.1 GRUNDGLEICHUNGEN ................................................................... 1168 46.3.2 KATALYSATORTYPEN ...................................................................... 1172 46.4 DIESELPARTIKELFILTER ................................................................................ 1178 46.4.1 GRUNDGLEICHUNGEN .................................................................. 1178 46.4.2 BELADUNG UND DRUCKVERLUST .................................................... 1182 46.4.3 REGENERATION UND TEMPERATURVERTEILUNG ................................ 1183 46.5 DOSIEREINHEITEN ..................................................................................... 1185 46.6 GESAMTSYSTEM ..................................................................................... 1186 46.7 NOMENKLATUR ........................................................................................ 1187 LITERATUR ........................................................................................................... 1189 TEIL IX 3D-SIMULATION DES ARBEITSPROZESSES 47 STROEMUNGSMECHANISCHE GRUNDLAGEN ........................................................... 1193 CHRISTIAN KRUEGER UND FRANK OTTO 47.1 MASSEN- UND IMPULSTRANSPORT .............................................................. 1196 47.2 TRANSPORT VON INNERER ENERGIE UND SPEZIES .......................................... 1199 47.3 PASSIVE SKALARE UND MISCHUNGSBRUCH ................................................. 1200 47.4 KONSERVATIVE FORMULIERUNG DER TRANSPORTGLEICHUNGEN ....................... 1201 47.5 TURBULENZ UND TURBULENZMODELLE ......................................................... 1202 47.5.1 PHAENOMENOLOGIE DER TURBULENZ ............................................... 1202 47.5.2 MODELLIERUNG DER TURBULENZ .................................................... 1203 47.5.3 TURBULENTES WANDGESETZ ......................................................... 1206 47.5.4 MODELLIERUNG DES TURBULENTEN MISCHUNGSZUSTANDES ............ 1209 XLIV INHALTSVERZEICHNIS 47.5.5 DIE GUELTIGKEIT VON TURBULENZMODELLEN; ALTERNATIVANSAETZE . .1212 LITERATUR ............................................................................................................ 1217 48 NUMERIK UND ZUKUENFTIGE ENTWICKLUNGEN .................................................... 1219 CHRISTIAN KRUEGER, FRANK OTTO, MARTIN SCHMITT UND KONSTANTINOUS BOULOUCHOS 48.1 FINITES-VOLUMEN-VERFAHREN .................................................................... 1219 48.2 DISKRETISIERUNG DES DIFFUSIONSTERMS - ZENTRALE DIFFERENZEN ............. 1220 48.3 DISKRETISIERUNG DES KONVEKTIONSTERMS - AUFWINDSCHEMA ................... 1222 48.4 DISKRETISIERUNG DER ZEITABLEITUNG - IMPLIZITES SCHEMA ........................ 1223 48.5 DISKRETISIERUNG DES QUELLTERMS ............................................................ 1225 48.6 OPERATOR-SPLIT-VERFAHREN ...................................................................... 1226 48.7 DISKRETISIERUNG UND NUMERISCHE LOESUNG DER IMPULSGLEICHUNG ........... 1226 48.8 RECHENNETZE ........................................................................................... 1227 48.9 BEISPIELE ................................................................................................ 1229 48.9.1 SIMULATION VON STROEMUNGSSTRUKTUREN IM ZYLINDER: OTTOMOTOR 1229 48.9.2 SIMULATION VON STROEMUNGSSTRUKTUREN IM ZYLINDER: DIESELMOTOR ............................................................................. 1231 48.9.3 DUESENINNENSTROEMUNG .............................................................. 1233 48.10 DIREKTE NUMERISCHE SIMULATION DER STROEMUNG IM BRENNRAUM. STAND DER TECHNIK UND AUSBLICK ................................................................... 1236 48.10.1 SIMULATIONSAUFBAU UND VALIDIERUNG ....................................... 1238 48.10.2 ERGEBNISSE: STROEMUNGSFELD UND WANDWAERMEUEBERGANG IM VERDICHTUNGSTAKT ................................................................. 1239 48.10.3 FAZIT ........................................................................................ 1241 48.10.4 AUSBLICK ................................................................................... 1242 LITERATUR ............................................................................................................. 1242 49 SIMULATION DER AUFLADUNG .............................................................................. 1245 ROLAND BAAR 49.1 ALLGEMEINES ........................................................................................... 1245 49.2 INTERAKTION VON LAUFRAD UND GEHAEUSE .................................................. 1248 49.3 GRUNDLAGEN DER GITTERGENERIERUNG FUER TURBOMASCHINEN ..................... 1250 49.4 NETZAUFBAU, NETZQUALITAET, TURBULENZMODELLE UND RANDBEDINGUNGEN .1251 49.5 AUSWERTUNG ........................................................................................... 1255 49.6 BEISPIEL ................................................................................................ 1259 LITERATUR ............................................................................................................. 1260 50 SIMULATION VON EINZELTROPFENPROZESSEN ....................................................... 1261 CHRISTIAN KRUEGER UND FRANK OTTO 50.1 IMPULSAUSTAUSCH .................................................................................. 1261 50.2 MASSEN- UND WAERMEAUSTAUSCH (EINKOMPONENTENMODELL) .................. 1262 50.3 MASSEN-UND WAERMEAUSTAUSCH (MEHRKOMPONENTENMODELLIERUNG) . . .1266 INHALTSVERZEICHNIS XLV 50.4 FLASHBOILING ......................................................................................... 1270 LITERATUR ........................................................................................................... 1271 51 SIMULATION DES EINSPRITZSTRAHLS ................................................................... 1273 CHRISTIAN KRUEGER UND FRANK OTTO 51.1 STRAHLSTATISTIK ........................................................................................ 1273 51.1.1 BOLTZMANN-WILLIAMS-GLEICHUNG ............................................ 1274 51.1.2 NUMERISCHE LOESUNG DER BOLTZMANN-WILLIAMS-GLEICHUNG: DAS STANDARDMODELL (LAGRANGE-FORMULIERUNG) ..................... 1276 51.1.3 EXKURS: NUMERISCHE BESTIMMUNG VON ZUFALLSZAHLEN ........... 1278 51.1.4 PARTIKEL-STARTBEDINGUNGEN AM DUESENAUSTRITT ........................... 1280 51.1.5 MODELLIERUNG VON ZERFALLSPROZESSEN ....................................... 1281 51.1.6 MODELLIERUNG VON STOSSPROZESSEN ............................................ 1286 51.1.7 MODELLIERUNG DER TURBULENTEN DISPERSION IM STANDARD-MODELL ................................................................. 1287 51.1.8 BESCHREIBUNG DER TURBULENTEN DISPERSION MITTELS FOKKER- PLANCK-GLEICHUNG ................................................................... 1289 51.1.9 DIE DIFFUSIONSDARSTELLUNG DER FOKKER-PLANCK-GLEICHUNG . . .1294 51.1.10 PROBLEME DES STANDARDSTRAHLMODELLS .................................... 1297 51.1.11 BENZINDIREKTEINSPRITZUNG FUER SCHICHTLADUNG MIT NACH AUSSEN OEFFNENDEM PIEZO-INJEKTOR ...................................................... 1301 51.2 EULER-STRAHLMODELLE .............................................................................. 1305 51.2.1 LOKAL HOMOGENE STROEMUNG .................................................... 1306 51.2.2 EINBETTUNGEN VON 1 D-EULER-VERFAHREN UND ANDEREN ANSAETZEN 1309 51.2.3 3D-EULER-VERFAHREN ................................................................. 1312 LITERATUR ............................................................................................................ 1315 52 SIMULATION DER DIESELVERBRENNUNG .............................................................. 1317 CHRISTIAN KRUEGER UND FRANK OTTO 52.1 VERBRENNUNGSREGIMES ........................................................................... 1317 52.2 ALLGEMEINES VORGEHEN ........................................................................ 1320 52.3 DIESEL-VERBRENNUNG ............................................................................. 1322 52.3.1 SIMULATION DER WAERMEFREISETZUNG .......................................... 1322 52.3.2 ZUENDUNG .................................................................................. 1329 52.3.3 NO X -BILDUNG ........................................................................... 1330 52.3.4 RUSSBILDUNG ............................................................................. 1332 52.3.5 HC- UND CO-EMISSIONEN ...................................................... 1332 LITERATUR ............................................................................................................ 1333 53 SIMULATION DER BENZINVERBRENNUNG ............................................................. 1335 CHRISTIAN KRUEGER UND FRANK OTTO 53.1 HOMOGENER BENZINMOTOR (VORMISCHVERBRENNUNG) ............................ 1335 XLVI INHALTSVERZEICHNIS 53.1.1 ZWEIPHASENPROBLEMATIK ......................................................... 1336 53.1.2 MAGNUSSEN-MODELL ................................................................. 1339 53.1.3 FLAMMENFLAECHENMODELLE (AUCH COHERENT FLAME MODELS) . . .1343 53.1.4 G-GLEICHUNG ........................................................................... 1347 53.1.5 DIFFUSIVE G-GLEICHUNG ............................................................ 1350 53.1.6 ZUENDUNG ................................................................................... 1351 53.1.7 KLOPFEN ................................................................................... 1352 53.1.8 SCHADSTOFFBILDUNG .................................................................... 1352 53.2 BENZINMOTOR MIT LADUNGSSCHICHTUNG (TEILWEISE VORGEMISCHTE FLAMMEN) ............................................................................................. 1353 LITERATUR ............................................................................................................. 1358 54 STROEMUNGSMECHANISCHE SIMULATION VON LADUNGSWECHSEL, GEMISCHBILDUNG UND VERBRENNUNG: AUSBLICK ............................................. 1359 CHRISTIAN KRUEGER UND FRANK OTTO 54.1 NETZBEWEGUNG ....................................................................................... 1360 54.2 NUMERIK ................................................................................................ 1361 54.3 TURBULENZ ............................................................................................. 1361 54.4 MODELLIERUNG DER EINSPRITZPROZESSE .................................................... 1362 54.4.1 NAEHERUNG I: BERUECKSICHTIGUNG DER ZERFAELLE NUR ALS MITTELWERTSPROZESS ................................................................. 1363 54.4.2 NAEHERUNG II: VERNACHLAESSIGUNG VON STOSSPROZESSEN ................ 1365 54.5 MODELLIERUNG DER VERBRENNUNG ............................................................ 1366 LITERATUR ............................................................................................................ 1367 A 3D-CFD SIMULATION MIT DEM KOMMERZIELLEN CODE AVL FIRE* ................... 1369 REINHARD TATSCHI B ANTRIEBSSYSTEMSIMULATION MIT DEM KOMMERZIELLEN CODE CRUISE* M . . . .1403 REINHARD TATSCHI UND JOHANN WURZENBERGER C PRUEFSTANDSSOFTWARE - FEHLERDIAGNOSE AN MOTORPRUEFSTAENDEN .......................... 1441 MICHAEL WOHLTHAN, GERHARD PIRKER UND ANDREAS WIMMER SACHVERZEICHNIS ......................................................................................................... 1461
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