Günter Merker, Christian Schwarz, Gunnar Stiesch, Frank Otto

Verbrennungsmotoren

Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung

Günter Merker, Christian Schwarz, Gunnar Stiesch, Frank Otto

Verbrennungsmotoren

Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung

2., vollständig neubearbeitete und erweiterte Auflage

Mit 245 Abbildungen und 15 Tabellen

Teubner

B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig· Wiesbaden

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.

Univ.-Praf. Dr.-Ing. habil. Gunter Merker ist Leiter des Instituts fUr Technische Verbrennung an der Universităt Hannover

apl. Praf. Dr.-Ing. habil. Christian 5chwarz ist Leiter der Abteilung "Vorentwicklung Funktionen Ottomotoren, Thermodynamik" der BMW AG Munchen

Dr.-Ing. habil. Gunnar 5tiesch ist tătig in der Entwicklung der MTU Friedrichshafen GmbH

Dr. rer. nat. Frank Otto arbeitet als Projektleiter des Forschungsprojekts "EUR05 und CO2 '' bei der DaimlerChrysler AG

1. Auflage 2001 2., vollst. neubearb. und erw. Auflage Mărz 2004

Alle Rechte vorbehalten © B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004 Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 2004

Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.teubner.de

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Waren- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wăren und dahervon jedermann benutzt werden durften.

Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de

Gedruckt auf săurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

ISBN 978-3-322-96775-6 ISBN 978-3-322-96774-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-96774-9

Vorwort

Für die zweite Auflage wurde der Inhalt des Buchs vollständig überarbeitet und wesentlich erweitert. Insbesondere wurden neben den Grundlagen der Hubkolbenmaschinen die für das Verständnis und die Simulation der verbrennungstechnischen Abläufe im Motor wichtigen Kapitel Einspritzung, Gemischbildung, Verbrennungsablauf und Schadstoftbildung mit auf­genommen.

Die zweite Auflage stellt damit gewissennaßen eine Symbiose aus den drei Büchern "G. P. MerkerlU. Kessen (1999): Verbrennungsmotoren", "G. P. Merker/G. Stiesch (1999): Motori­sche Verbrennung" und "G. P. Merker/Ch. Schwarz (2001): Simulation verbrennungsmotori­scher Prozesse" dar, was auch durch den neuen Titel des Buches zum Ausdruck kommt. Phä­nomenologische Mehrzonen-Verbrennungsmodelle haben seit Erscheinen der ersten Auflage deutlich an Bedeutung gewonnen und sind heute bereits in Programmen zur Gesamtprozess­analyse integriert. Die dreidimensionale Simulation von Strömungsfeldern im Brennraum hat sich zu einem etablierten Berechnungsverfahren in der Motorenindustrie entwickelt, das für Detailuntersuchungen einen festen Platz erobert hat. Die dreidimensionale Simulation der motorischen Verbrennung, d. h. die durchgängige ModelIierung und Simulation der Prozess­abläufe bei der Einspritzung, der Gemischbildung, der Zündung, der Wännefreisetzung durch die Verbrennung und der Schadstoftbildung hat zwar in den letzten Jahren erhebliche Fort­schritte zu verzeichnen, steckt aber noch in den Kinderschuhen.

Kapitel 2 ist neu und bringt eine Einführung in die Funktionsweise von Verbrennungsmoto­ren. Kapitel 3 ist eine Zusammenstellung der wesentlichen reaktionskinetischen Grundlagen, Kapitel 4 beschreibt die im Brennraum ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse. Kapitel 5 ist den phänomenologischen Mehrzonen-Verbrennungsmodellen gewidmet; in Ka­pitel 6 sind die Grundlagen der Schadstoftbildung beschrieben. Kapitel 7 und 8 sind eine ü­berarbeitete und gestraffie Darstellung der früheren Kapitel "Reale Arbeitsprozessrechnung" und "Gesamtprozessanalyse". Kapitel 9 ist eine vollständige Neufassung der entsprechenden früheren Kapitel "Dreidimensionale, instationäre Strömungsfelder" und "Verbrennungsmodel­le" , das im Wesentlichen der letzte Autor verfasst hat. Es erscheint uns jedoch wichtig darauf hinzuweisen, dass sich jeder von uns für alle Kapitel verantwortlich fühlt.

Frau Dr. B. Settmacher sind wir für das Schreiben und die kritische Durchsicht des Textes sowie vor allem für die Fonnatierung, das Layout und letztendlich die Erstellung der druck­fertigen Buchvorlage zu großem Dank verpflichtet. Nur durch ihren unennüdlichen Einsatz und ihre guten organisatorischen Fähigkeiten ist die Erstellung der endgültigen Buchvorlage im vorgegebenen Zeitrahmen möglich gewesen. Frau C. Brauer danken wir für die grafische Gestaltung aller Abbildungen und Diagramme. Der BMW Group und der Daimler Chrysler AG danken wir für die Freigabe der zur Verfügung gestellten Abbildungen und dem Teubner­Verlag für die stets gute Zusammenarbeit.

Hannover/MünchenlFriedrichshafen/Stuttgart, im Februar 2004

Günter P. Merker Christian Schwarz Gunnar Stiesch Frank Otto

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Formelzeichen XII

1 Einleitung

1.1 Vorbemerkungen 1

1.2 Modellbildung 1

1.3 Simulation 3

2 Einführung in die Funktionsweise von Verbrennungsmotoren 6

2.1 Energiewandlung 6

2.2 Hubkolbenmotoren 7 2.2.1 Der Kurbeltrieb 8 2.2.2 Gas- und Massenkräfte 10 2.2.3 Arbeitsverfahren 12

2.3 Thermodynamik des Verbrennungsmotors 13 2.3.1 Grundlagen 13 2.3.2 Geschlossene Kreisprozesse 18 2.3.3 Offene Vergleichsprozesse 26

2.4 Kenngrößen und Kennwerte 29

2.5 Motorenkennfelder 32 2.5.1 Ottomotoren 32 2.5.2 Dieselmotoren 34

2.6 Aufladung 36 2.6.1 Aufladeverfahren 36 2.6.2 Mechanische Aufladung 38 2.6.3 Abgasturbo-Stauaufladung 39 2.6.4 Abgasturbo-Stoßaufladung 42

3 Grundlagen der Reaktionskinetik 45

3.1 Chemisches Gleichgewicht 45

3.2 Reaktionsgeschwindigkeit 48

3.3 Partielles Gleichgewicht und Quasi-Stationarität 49

3.4 Brennstoffe 52 3.4.1 Chemischer Aufbau 52 3.4.2 Physikalisch-chemische Eigenschaften 55

3.5 Oxidation von Kohlenwasserstoffen 58

VIII

4 Motorische Verbrennung

4.1 Ottomotor 4.1.1 Gemischbildung 4.1.2 Zündung 4.1.3 Verbrennungsablauf 4.1.4 Abnormale Verbrennung 4.15 Kontrollierte Selbstzündung

4.2 Dieselmotor 4.2.1 Einspritzverfahren und -systeme 4.2.2 Gemischbildung 4.2.3 Selbstzündung 4.2.4 Verbrennungsablauf 4.2.5 Homogene Verbrennung

4.3 Druckverlaufsanalyse 4.3.1 Bestimmung des Brennverlaufs 4.3.2 Verlustteilung 4.3.3 Vergleich unterschiedlicher Brennverfahren

5 Phänomenologische Verbrennungsmodelle 5.1 Dieselmotorische Verbrennung

5.1.1 Nulldimensionale Brennverlaufsfunktion 5.1.2 Stationärer Gasstrahl 5.1.3 Paket-Modelle 5.1.4 Zeitskalen-Modelle

5.2 Ottomotorische Verbrennung

6 Schadstoftbildung 6.1 Abgaszusammensetzung

6.2 Kohlenmonoxid (CO)

6.3 Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) 6.3.1 Limitierte Schadstoftkomponenten 6.3.2 Nicht limitierte Schadstoftkomponenten

6.4 Partikelemission beim Dieselmotor 6.4.1 Einführung 6.4.2 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) 6.4.3 Entstehung von Ruß 6.4.4 Modellierung der Partikelemission

6.5 Stickoxide 6.5.1 Thermisches NO 6.5.2 Prompt-NO 6.5.3 Über N20 erzeugtes NO 6.5.4 Brennstoff-Stickstoff

Inhaltsverzeichnis

61

61 61 65 66 70 72

74 75 82 83 86 88

90 90 94 97

100

101 101 102 106 113

115

119

119

120

121 121 125

130 130 131 132 134

135 136 142 143 143

Inhaltsverzeichnis IX

7 Reale Arbeitsprozessrechnung 144

7.1 Ein-Zonen-Zylinder-Modell 145 7.1.1 Grundlagen 145 7.1.2 Mechanische Arbeit 147 7.1.3 Ermittlung des Massenstroms durch die Ventile / Ventilhubkurven 147 7.1.4 Wärmeübergang im Zylinder 150 7.1.5 Wärmeübergang im Auslasskrümmer 159 7.1.6 Wandtemperaturmodelle 160 7.1. 7 Brennverlauf 163 7.1.8 Klopfende Verbrennung 176 7.1.9 Innere Energie 180

7.2 Zwei-Zonen-Zylinder-Modell 189 7.2.1 Modellierung des Hochdruckteils nach Hohlbaum 189 7.2.2 Modellierung des Hochdruckteils nach Heider 192 7.2.3 Ergebnisse der NOx-Berechnung mit Zwei-Zonen-Modellen 195 7.2.4 Modellierung des Ladungswechsels beim 2-Takt-Motor 197

7.3 Modellierung des Gaspfades 199 7.3.1 Modellierung peripherer Komponenten 199 7.3.2 Modellbildung 201 7.3.3 Integrationsverfahren 202

7.4 Gasdynamik 203 7.4.1 Grundgleichungen der eindimensionalen Gasdynamik 203 7.4.2 Numerische Lösungsverfahren 207 7.4.3 Randbedingungen 210

7.5 Aufladung 216 7.5.1 Strömungsverdichter 216 7.5.2 Verdrängerlader 226 7.5.3 Strömungsturbine 227 7.5.4 Abgasturbolader 239 7.5.5 Ladeluftkühlung 242

8 Gesamtprozessanalyse 248

8.1 Allgemeines 248

8.2 Thermisches Motorverhalten 248 8.2.1 Grundlagen 248 8.2.2 Modellierung der Rohrleitungssystems 249 8.2.3 Kühlkreislauf 251 8.2.4 Ölkreislauf 254 8.2.5 Physikalische Eigenschaften von Öl und Kühlwasser 259

8.3 Motorreibung 261 8.3.1 Reibungsansatz für den betriebswarmen Motor 261 8.3.2 Reibungsansatz für den Warmlauf 262

x

8.4 MotorsteuerungIRegelung 8.4.1 PID-Regler 8.4.2 Lastregelung 8.4.3 Verbrennungsregelung 8.4.4 Regelung der Abgasruckfiihrung 8.4.5 Regelung am Aufladeaggregat 8.4.6 Fahrregler

8.5 Darstellung des Motors als Kennfeld 8.5.1 Vorgehensweise und Randbedingungen 8.5.2 Rekonstruktion des Drehmomentenverlaufs

Inhaltsverzeichnis

264 264 265 266 266 268 270

271 271 273

8.6 Stationäre Simulationsergebnisse (Parametervariationen) 277 8.6.1 Lastvariation beim gedrosselten Ottomotor 277 8.6.2 Einfluss von Zündung und Brenndauer 278 8.6.3 Variation von Verdichtungsverhältnis, Last und Spitzendruck

am Großdieselmotor 280 8.6.4 Untersuchungen zu vollvariablen Ventiltrieben 281 8.6.5 Variation der Saugrohrlänge und der Ventilsteuerzeiten

(Ottomotor, Volllast) 283 8.6.6 Abgasruckfiihrung bei einem abgasturboaufgeladenen Pkw-Dieselmotor 284 8.6.7 Umblasen beim Großdieselmotor 287

8.7 Transiente Simulationsergebnisse 289 8.7.1 Lastaufschaltung beim Generatormotor 289 8.7.2 Beschleunigung eines NFZ von 0 auf 80 km/h 291 8.7.3 Eingriffsmöglichkeiten am Abgasturbolader 293 8.7.4 Teillast im ECE-Zyklus 294 8.7.5 Warmlaufim ECE-Zyklus 296 8.7.6 Volllast-Beschleunigung bei turboaufgeladenen Ottomotor 297

9 Strömungsmechanische Simulation 301

9.1 Dreidimensionale Strömungsfelder 301 9.1.1 Strömungsmechanische Grundgleichungen 301 9.1.2 Turbulenz und Turbulenzmodelle 307 9.1.3 Numerik 318 9.1.4 Rechennetze 325 9.1.5 Beispiele 326

9.2 Simulation von Einspritzprozessen 331 9.2.1 Einzeltropfenprozesse 332 9.2.2 Strahlstatistik 336 9.2.3 Probleme des Standard-Strahlmodells 349 9.2.4 Lösungsansätze 353

9.3 Simulation der Verbrennung 360 9.3 .1 Allgemeines Vorgehen 360 9.3.2 Diesel-Verbrennung 363

Inhaltsverzeichnis XI

9.3.3 Homogener Benzin-Motor (Vormischverbrennung) 372 9.3.4 Benzinmotor mit Ladungsschichtung (Teilweise vorgemischte Flammen) 388

Literatur 391

Stichwortverzeichnis 400

XII Abkürzungen und Fonnelzeichen

Abkürzungen

AGR AÖ ATL AV BB

BD BR BV CAI CFD DE,DI DK EB ED EP ES ESV EV

FB FEM FES HCCI Kst KW LDA LES LLK LWOT MOT MSL MUP NFZ NN OHC-GG ÖK OT ÖW PAK PDF RG RK

AbgasrückfUhrung Auslass öffnet Abgasturbo-Aufladung Auslassventil Brennbeginn Blow-By Brenndauer Brennraum Brennverlauf Controlled Auto-Ignition Computational Fluid Dynamics Direkteinspritzung (direct injection) Drosselklappe Einspritzbeginn Einspritzdauer Einspritzpumpe Einlass schließt Einspritzverlauf Einlassventil Einspritzverzug Förderbeginn Finite Elemente Methode frühes Einlass schließt Homogeneous Charge Compression 19nition Kraftstoff Kurbelwinkel ladedruckabhängiger Volllastanschlag Large-Eddy-Simulation Ladeluftkühler Ladungswechsel-OT Motorblock Motorschlucklinie Massenumsatzpunkt Nutzfahrzeug Neuronales Netz Sauerstoff-W asserstoff-Kohlenstoff-G leichgewicht Ölkühler oberer Totpunkt Ölwanne Polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung (probability density function) Restgas Rückblaseklappe

Abkürzungen und Formelzeichen

SES spätes Einlass schließt SP Schwerpunkt TL Turbolader UT unterer Totpunkt VSL Verdichterschlucklinie VTG variable Turbinengeometrie ZOT Zünd-OT (oberer Totpunkt) ZV Zündverzug ZZP Zündzeitpunkt

Formelzeichen

A

a

Fläche [m2 ]

Kinematik der Variablen ader Boltzmanngleichung Parameter Zacharias Temperaturdifferenz Heider [K] Temperaturdifferenz Heider [K] Zündmodellparameter Verbrennungsmodellparameter Abgasrückfiihrrate [ % ] Konstante Vibe-Brennverlauf Schallgeschwindigkeit [ m / s ] Temperaturleitfähigkeit [m2 / s] Gradient "schiefe Koordinaten" Parameter Kloptkriterium Bezogener Öffuungsweg Thermostat Funktion Heider Modellkonstanten des Tropfenzerfallsmodells Brenndauer [ Grad] Lagerbreite [ m ] Parameter Kloptkriterium spezifischer Brennstoffverbrauch [ g / kWh] Funktion Lax Wendroff Konstante Konstante Wärmeübergang W oschni Konstante Woschni Konstante Woschni [m / (s K) ] Konstante Vogel Konstante Teilchenbahn Konstante Teilchenbahn Kontraktionsbeiwert Konstante Heider Geschwindigkeitsbeiwert Widerstandsbeiwert

XIII

XIV

Cou C

C(i) ci cK cl Cm Cp Cu ICm

Cx

Cel ' Ce2 ' Ce3

CJ1 Cv D

E EA Eid Ekin EB ED e F

FA

Courant-Zahl Anteil Kohlenstoff [ kg / kg Kst ] Federkonstante [N / m] Fortschrittsvariable Geschwindigkeit [ m / s ] Konstante Länge [m] Parameter Klopfkriterium spezifische Wärme [ J / (kg K) ] Speziesmassenbruch der Spezies Nr. i Stoffkonzentration Kolbengeschwindigkeit [ m / s ] Konstante Reibungsansatz Lüfter mittlere Kolbengeschwindigkeit [ m / s ] spezifische Wärme bei konst. Druck [ J / (kg K) ] Drallzahl

Abkürzungen und Formelzeichen

Modellkonstanten in Transportgleichung der Mischungsbruchvarianz Modellkonstanten in der t: -Gleichung Konstante des Turbulenzmodells spezifische Wärme bei konst. Volumen [ J / (kg K) ] Diffusionskonstante Durchmesser [ m ] Parameter Zacharias Zylinderdurchmesser [ m ] inverse Relaxationszeitskala eines Tropfens in turbul. Strömung [s -1 ]

partielles Differential

Wanddicke [ m ] Durchmesser [ m ] Dämpfungskonstante [ kg / s ] Lüfterdurchmesser mittlerer Turbinendurchmesser [ m ] Energie [J] Elastizität des Motors [ Nm s ] Energiestrom [ J / s ] Aktivierungsenergie Zündenergie [ K ] kinetische Strahlenergie [ J ] Energiebilanz Einspritzdauer [ Grad] Exzentrizität, Schränkung [ m ] Kraft [N ] Funktion Funktion Lax Wendroff Parameter Zacharias

Abkürzungen und Fonne1zeichen

FG f

IR G

g H

I K

ila iz L

Gaskraft [ N ] allgemeine Funktion Kraftdichte [NI m3 ]

Verteilungsfunktion Restgasanteil formale Feldvariable, deren Nullstelle die Pos. der Flammfront bestimmt freie Enthalpie [ J ] Funktion Lax Wendroff Gibbs-Funktion [ J] spezifische freie Enthalpie [ J / kg ] Enthalpie [ J ] Heizwert [ J / kg ] unterer Heizwert [ J / kg ] Anteil Wasserstoff [ kg / kg Kst ] spezifische Enthalpie [ J / kg ] Hub [m] Parameter Polygon-Hyperbel-Brennverlauf Parameter Polygon-Hyperbel-Brennverlauf Parameter Polygon-Hyperbel-Brennverlauf Impuls [ (kg m) / s ] Strom [A] Klopfauslösender, kritischer Vorreaktionszustand Übersetzungs verhältnis Lüfter Anzahl Leitungsabschnitte Drehimpuls [ N m s ] Längenskala [ m ] Brenmaumabhängige Konstante (Franzke) Differentialbeiwert Integralbeiwert Proportionalbeiwert Gleichgewichtskonstante Konstante Lagerreibung Klopfwahrscheinlichkeit

3 Konstante [m ] Faktor Spaltdicke Konstante turbulente kinetische Energie [ m 2 / s 2 ]

Wärmedurchgangszahl [W / (m 2 K) ] Zählindex Behältersteifigkeit [N / m 5 ]

Geschwindigkeitskoeffizient für Vorwärtsreaktion Rohrreibungskoeffizient [ m / s 2 ]

Geschwindigkeitskoeffizient für Rückwärtsreaktion Wirbellänge [ m ] stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis

xv

XVI

I

Ma m

m N Nu n

Pe Pr

Prk Prc P

Po PGauss

Pinj

Pm,e

Pmr

Pß Q

Q

QB' Qchem q

R

R

Pleuellänge [ m ] Länge [m] Dicke der turbulenten Flammenfront [ m ] integrale Längenskala turbulente Längenskala [ m ] Masse [kg] Moirnasse [ kg / kmol ] Moment [Nm] Machzahl Masse [kg] Vibe-Parameter Massenstrom Normierungskonstante Nußelt-Zahl Anzahl Mole Drehzahl [ U / min ] Polytropenexponent Arbeitsspiele pro Umdrehung Stoffmenge von i [ mol] Ohnesorge-Zahl Leistung [ W ] Produktionsterm in k-Gleichung [ W ] Peclet-Zahl Prandtl-Zahl turbulente Prandtl-Zahl für k -Transport turbulente Prandtl-Zahl für t: -Transport Druck [N / m 2 ]

Partialdruck [N / m 2 ]

Wahrscheinlichkeitsdichte, Verteilungsfunktion Schleppdruck [N / m 2 ]

Abkürzungen und Fonnelzeichen

Verteilungsfunktion mit Form einer Gaussverteilung Einspritzdruck [N / m 2 ]

effektiver Mitteldruck [N / m 2 ]

Reibmitteldruck [ bar] Verteilungsfunktion, die die Form einer ß -Funktion hat Quellterm einer Skalartransportgleichung Wärmemenge [ J ] Wärmestrom [ W ] Wärmefreisetzung [ kJ / KW ] spezifische Wärmeenergie [J / m 3 ]

Wärmequelle [ W ] elektrischer Widerstand [ Ohm; Q ] Gaskonstante [ J / (kg K) ] Tropfenradius [ m ] universelle Gaskonstante

Abkürzungen und Formelzeichen

Ro universelle Gaskonstante [ J / (mol K) ] Rm molare Gaskonstante [ J / (mol K) ] ~th thermischer Ersatzleitkoeffizient [W / (m2 K)] ~v Änderung des Tropfenradius auf grund von Verdampfung [ m / s ] Rz Änderung des Tropfenradius aufgrund von Zerfall [ m / s ] Re Reynolds-Zahl r Kurbelwellenradius [ m]

Luftgehalt Radius [m]

S Entropie [ J / K ] Strahleindringtiefe [ m ]

Sij Scherungstensor [s-l] Sc Schmidt-Zahl SF Spülfaktor Sh Sherwood-Zahl SMD Sauterdurchmesser (Sauter Mean Diameter) [ m ] s Kolbenweg, Hub [ m ]

Flammengeschwindigkeit [ m / s ] spezifische Entropie [ J / (kg K) ]

s L laminare Flammengeschwindigkeit [ m / s ] sM Muldentiefe [ m ] S t turbulente Flammengeschwindigkeit [ m / s ] T Taylor-Zahl

Temperatur [K] TA Änderung der Tropfentemperatur auf grund von Aufheizung [ K / s ] t Zeit[ s ] U Innere Energie [ J ] u spezifische Innere Energie [ J / kg ]

Geschwindigkeitskomponente [ m / s ] u' turbulente Geschwindigkeitsfluktuation [ m / s ] u / Co Laufzahl V Geschwindigkeitsskala [ m / s ]

Volumen [m3 ]

V H Hubvolumen [m3 ]

v Geschwindigkeit [ m / s ] spezifisches Volumen [ m 3 / kg ]

v + normierte Geschwindigkeit (turbulentes Wandgesetz) Vinj Einspritzgeschwindigkeit [ m / s ] vr Schubspannungsgeschwindigkeit [ m / s ] W Arbeit [J] W Leistung [ W ] We Weber-Zahl w Geschwindigkeit [ m / s ]

spezifische Arbeit [ J / kg ] wi indizierte Arbeit [ kJ / 1 ]

XVII

XVIII

x

x

Regelgröße Stellgröße Regelabweichung Anteil Koordinate Weg [m] Zufallszahl

Abkürzungen und Formelzeichen

x RG Restgasanteil y Koordinate

Anteil y + normierter Wandabstand (turbulentes Wandgesetz)

* Y2 Parameter Polygon-Hyperbel-Brennverlauf Y4 Parameter Polygon-Hyperbel-Brennverlauf Y6 Parameter Polygon-Hyperbel-Brennverlauf z Anteil

Koordinate Mischungsbruch Zahl der Zylinder Zufallszahl

Griechische Symbole

a

aF ß

allgemeiner Parameter Durchflusskoeffizient Koeffizient Lax Wendroff Variablensatz der strahladaptierten Boltzmanngleichung Wärmeübergangskoeffizient [W / (m 2 K)] Modellparameter des Flammflächenverbrennungsmodells allgemeiner Parameter Koeffizient Lax Wendroff reduzierter Variablensatz der strahladaptierten Boltzmanngleichung Winkel [ 0 ]

Modellparameter des Flammflächenverbrennungsmodells Winkel [0 ] Differenz Verbrennungsterm Vibe-Parameter Wirkungsgraddifferenz Zeitinkrement [ s ] Längeninkrement [ m 1 Brenndauer [ Grad] Dicke der laminaren Flammenfront [ m 1 Dissipationsrate [ m 2 / S 2 ]

Kühlziffer

Abkürzungen und Formelzeichen

r

I]th I]

I]u e 13 K

A A

v

Verdichtungsverhältnis Gammafunktion ITNFS-Funktion (Vormischverbrennungsmodell) thermischer Wirkungsgrad dynamische Viskosität [ (N s) / m 2 ]

Umsetzungsgrad polares Massenträgheitsmoment [ kg / m 2 ]

Temperatur [ K] Isentropenexponent von-Karman-Konstante (Turbulenzmodell) Wellenlänge im Tropfenzerfallsmodell [ m ] Verbrennungsluftverhältnis Wärmeleitfähigkeit [ W / (m K) ] Mischungsstöchiometrie Verbrennungsluftverhältnis Heider Luftaufwand Liefergrad Schubstangenverhältnis Rohrreibungszahl chemisches Potential Durchflusskoeffizient erster Viskositätskoeffizient (ohne Index: laminar) [(N s) / m 2 ]

kinematische Viskosität [ m 2 / s] Stoff menge [ mol] stöchiometrischer Koeffizient Strangdruckverhältnis Druckverhältnis Kreiszahl ( 3,14159) Reziprokwert Turbinendruckverhältnis Verdichterdruckverhältnis Dichte [kg / m3 ]

spezifische Flammfront [ m 2 / kg ] Übergangsfunktion in Boltzmanngleichung Varianz Flugzeit [ s ] Spannung (auch als Tensor) [N / m 2 ]

Zeit (Zündverzug) [ s ] Korrelationszeit der auf einen Tropfen einwirk. Geschw.fluktuation [ s ] turbulente Zeitskala Zündverzug [ s ] allgemeine Transportvariable Äquivalenzverhältnis spezifische Kühlleistung [ W / K ] Anteil zweiter laminarer Viskositätskoeffizient[ (N s) / m 2 ]

XIX

xx

rp 'P lfI n OJ

Abkürzungen und Formelzeichen

Kurbelwinkel [ °KW ] Ausflussfunktion relatives Lagerspiel [ m ] Wachstumsrate der Wellenlänge A im Tropfenzerfallsmodell [ s -1 ]

Winkelgeschwindigkeit [s -1] Drallzahl Rohrreibungszahl

Operatoren

Indices *

°

o

01

I' 15 2

Ensemblemittelung Favre-Mittelung Fluktuation im Ensemble-Mittel Fluktuation im Favre-Mittel

dimensionslose Größe Ableitung nach der Zeit molare Größe Referenzdruck 1 atm. Standartzustand molare Größen Ruhezustand Schlepp Index Runge Kutta Ruhezustand eintretend nach Drosselstelle vor Strömungsmaschine Zone 1 Index Runge Kutta bei Einlass schließt Konstante Reibung Fußpunkt bei 15°C austretend nach Strömungsmaschine Zone 2 Index Runge Kutta Konstante Reibung

Abkürzungen und Fonnelzeichen

2' 3

4 5 6 75 (i), (j), (k) A

ATL AÖ a

ab

B

BB

BD BE Beh. Br bez. C C3Hs CO CO2 e

eh, ehem eyl D diff· dx E

EB ES ESV EV

Fußpunkt Index Runge Kutta Konstante Reibung Konstante Reibung Konstante Reibung Konstante Reibung bei 75% Umsatzrate Speziesnummer Ausgangspunkt Auslass Strang A Abgas Abgasturbolader Auslass öffnet außen austretend axial abströmend abgeführt Brennstoff Strang B Blow-By Brennbeginn Brenndauer Brennende Behälter Brennstoff Bezug Kohlenstoff Propan Kohlenmonoxid Kohlendioxid Camot-Prozess Kompression chemisch Zylinder Düse Diffusion Längeninkrement Einlass Endgas, charakteristischer Kurbelwinkel Klopfkriterium Einspritzbeginn Einlass schließt Einspritzverlauf Einlassventil

XXI

XXII

e

F FB f

fl G Ges., ges GI g gl H2 H2ü Hub, h IK

Einspritzverzug eintretend effektiv Flamme, Flammenfront F örderbeginn fuel Fußpunkt Flüssigphase Gas, Gaskraft gesamt Glysantin Gasphase global Wasserstoff Wasser Hub klopfauslösend innere, innen Zählindex

ind indiziert inj Einspritzung (injiziert, Injektion) is isentrop j Zählindex

Abkürzungen und Formelzeichen

K Klopfen, charakteristischer Kurbelwinkel Klopfkriterium Kolben

KHB Ko, Kol Komp KS Kst Kur KW

k korr. kril. L

LLK 1,lam m

Kühler Klopfhäufigkeitsbereich Kolben Kompression Kurzschluss Kraftstoff Kurbel Kühlwasser Kurbelwel1e Kühlmedium Korrektur, korrigiert kritisch Lagerbolzen Leitung Luft, Ladeluft Ladeluftkühler laminar mechanisch Mittel-, mittlerer molar

Abkürzungen und Formelzeichen XXIII

Mulde max maximal mm minimal N 2 Stickstoff n Drehzahl

Anteil C n.T. nach Turbine n. V. nach Verdichter nenn Nenn-OT oberer Totpunkt 0 obere

Standardzustand osz oszillierend p Pleuel p Gleichdruckprozess

(konstanter) Druck pre premixed q Quell-, Quetsch-R Reibung RB Rechenbeginn Reib Reibung RG Restgas r radial

Reibung Rückwärtsreaktion

ref Referenz rot rotierend SP Schwerpunkt s isentrop sys System T tangential

Temperatur Turbine

TG Gastangentialkraft TH Thermostat TL Turbolader TM Massentangentialkraft Tr Tropfen

technisch turbulent

tats. tatsächlich th thermisch th., theo. theoretisch tr Tropfen turb turbulent

XXIV

U,Umg. UT u u, unvollk u,uv V

v

vp v. T. v. V. v. Verbr. verd. W x

XRG Y Z,Zyl. ZV Zyl.W ZZP z

zk zu

zus a E

Umgebung unterer Totpunkt untere unvollkommen unverbrannt Verdichter Verbrennungsgas Gleichraumprozess spezifisches Volumen verbrannt Vergleichsprozess Vorwärtsreaktion Seiligerprozess vor Turbine vor Verdichter vor Verbrennung verdampft Wand an der Stelle x Ausgangspunkt Restgas Anteil H Zylinder Zündverzug Zylinderwand Zündzeitpunkt Anteil 0 Taktzahl zu kühlendes Medium zugeführt zuströmend Zusatz konvektiv Strahlung

Abkürzungen und Fonnelzeichen