Ein flexibles, semi-empirisches Verbrennungsmodell für unterschiedliche ottomotorische Brennverfahren

Den Motorenentwicklern werden immer strengere Anforderungen nach einer Absenkung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen durch den Gesetzgeber auferlegt. Die rechnerische Simulation stellt bei dieser Aufgabe ein leistungsstarkes Werkzeug dar, da viele Fragestellungen bereits am Anfang der Entwicklungsphase beantwortet werden können, und der Umfang der zeit- und kostenaufwendigen Prüfstandsversuche reduziert werden kann. Die Modellierung der Verbrennung ist äußerst schwierig, da die physikalischen Phänomene, die den Verbrennungsprozess regeln, sehr komplex und nur teilweise bekannt sind. In der Literatur sind verschiedene Verbrennungsmodelle zu finden, die sich voneinander nach dem Grad ihrer Komplexität stark voneinander unterscheiden. Während die einfacheren, empirischen Modelle nur unter bestimmten Randbedingungen eine akzeptable Nachbildungsqualität erreichen, benötigen die komplexeren Modelle eine nicht vernachlässigbare Rechenzeit, wodurch sie für schnelle Anwendungen weniger geeignet sind. In dieser Arbeit wird ein Ansatz entwickelt, mit dem eine realistische und trotzdem nicht rechenzeitintensive Verbrennungsmodellierung möglich ist. Das hier beschriebene Verbrennungsmodell ist in der Lage, den Brennverlauf unterschiedlicher ottomotorischer Brennverfahren mit innerer Gemischbildung für unterschiedliche Betriebsbedingungen mit guter Genauigkeit zu modellieren. Dabei wurden neben dem Homogen- und Homogen-Mager-Betrieb auch der Schichtbetrieb sowie der Betrieb mit externer Abgasrückführung berücksichtigt. Ein wichtiger zusätzlicher Aspekt ist die Prognosefähigkeit der Brennverlaufrechnung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors. Das Modell ist außerdem auf andere Motoren übertragbar, von denen lediglich die Messung eines Referenzbetriebspunktes benötigt wird. Die überschaubare Komplexität des Modells ermöglicht geringe Rechenzeiten und zeichnet es für den Einsatz innerhalb einer eindimensionalen Prozessrechnung des gesamten Motors aus.The conditions for engine developers to reduce fuel consumption and pollutant emissions defined by legislation are becoming continuously harder. Numerical simulation represents a potent tool for this task, because with its help many questions can be answered during the first phases of the project, and the expensive and time consuming test cell experiments can be reduced. Due to the high level of complexity of the combustion process, the accurate modelling of the combustion represents the biggest challenge for the simulation of the entire engine. Several models describing the combustion process can be found in literature which differ from each other by the degree of their complexity. The empirical models achieve an acceptable accuracy under certain boundary conditions. The more complex models require a lot more time to compute and for this reason they are not suitable for fast applications. The approach developed in this work allows an accurate yet non time consuming combustion simulation. This combustion model is able to calculate with good accuracy the burn rate of different engine types with direct injection and different operating conditions. The operation with stratified charge, homogeneous lean charge and exhaust gas recirculation has been considered, along with the homogeneous stoichiometric charge operation. Another important aspect is the capability of predicting the burn rate for different engine operating conditions. The model can also be transferred to other engines easily by measuring only one operating point. The relative simplicity of the model allows a short computation time, because the application of the model is focused on 1-D simulation of the entire engine