Messung und Rechnung instationärer Betriebszustände am Beispiel eines abgasturboaufgeladenen Ottomotors

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-32095
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Fahrzeugtechnik und Antriebssystemtechnik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. W. Thiemann
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.09.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Ottomotor , Verbrennungsmotor , Messung , Rechnung , Analyse , Fahrzyklus
Freie Schlagwörter (Deutsch): instationär , Lastwechsel , Übereinstimmungsanalyse , Motorprozessrechnung
Freie Schlagwörter (Englisch): transient , load change , match analysis , engine process calculation
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Mit der Forderung nach realitätsnahen Verbrauchs- und Emissionsangaben gewinnt die Umsetzung von instationären Motorenversuchen zwangsläufig an Bedeutung. Mithilfe von instationären Untersuchungen besteht die Möglichkeit, frühzeitig im Laufe des Entwicklungsprozesses entsprechende Applikationsaufgaben und zuverlässige Prognosen vorzunehmen. Der klassische Motorenversuch und die anschließende thermodynamische Analyse sowie die Simulationsrechnung des innermotorischen Prozesses basieren jedoch häufig auf stationären Betriebszuständen. Für die Berechnung von instationären Betriebszuständen, z.B. einem Beschleunigungsvorgang bzw. einem Drehmomentaufbau, wird oftmals auf die Ergebnisse solcher stationären Untersuchungen zurückgegriffen. Selbst bei feiner Rasterung der stationären Kennfelddaten verbleibt eine gewisse Unsicherheit, da prinzipbedingt nur eine quasi-stationäre Betrachtung erfolgen kann. Deshalb wird in der vorliegenden Arbeit eine Erweiterung der etablierten Toolkette zur Analyse und Simulation des Motorprozesses um instationäre Ansätze vorgenommen. Besonders bei spontaner Lastanforderung ergibt sich der Umstand, dass die Aktuatoren am Motor und bestimmte Parameter erst nach einer gewissen Zeit die erforderlichen Positionen und Werte angenommen haben und sich damit der stationäre Betriebszustand einstellt. Deshalb ergeben sich während eines Betriebspunktwechsels abweichende Randbedingungen bei den durchlaufenen Betriebspunkten im Vergleich zum stationären Betrieb. Mithilfe von Wiederholungsmessungen und der Synchronisation der Prüfstandsteuerungs- und Messeinrichtungen gelingt es, instationäre Betriebspunkte am Motorenprüfstand zu generieren, welche die tatsächliche Abfolge der durchlaufenen Betriebspunkte jeweils anhand eines mittleren Arbeitsspiels abbilden. Dadurch wird einerseits das instationäre Systemverhalten des untersuchten Motors unabhängig von Zyklenschwankungen und Messunsicherheiten wiedergegeben und andererseits lassen sich Unterschiede zwischen stationären und instationären Betriebspunkten darstellen. Damit liegt ein vertieftes Verständnis der realen Vorgänge im Fahrzeugbetrieb vor und der bisherige Fehler durch eine vereinfachte, quasi-stationäre Betrachtung lässt sich quantifizieren. Neben den erforderlichen Anpassungen der Prüfstandarchitektur und der thermodynamischen Analyse instationärer Betriebspunkte wird ein Modell zur Bestimmung der Brennraumwandtemperatur während instationärer Betriebsphasen vorgestellt. Darüber hinaus erfolgen detaillierte Übereinstimmungsanalysen charakteristischer Betriebsparameter stationärer und instationärer Betriebspunkte. Insbesondere die Differenzen beim Restgasgehalt und Verbrennungsluftverhältnis zeigen auf, dass die Vorgänge während der instationären Betriebsphasen einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die durchlaufenen Betriebspunkte haben. Die Höhe der Abweichungen wird dabei mit der Betriebsdynamik in Verbindung gebracht und die damit verbundenen Einflüsse auf den Motorprozess werden diskutiert.

Kurzfassung auf Englisch:

With the demand for realistic consumption and emission data, the use of transient engine tests is gaining importance. Transient experiments make it possible to do relevant application tasks and reliable forecasts early in the development process. However, the classical engine test and the following thermodynamic analysis as well as the simulation of the internal engine process are often based on stationary operating conditions. For the calculation of transient operating conditions, e.g. an acceleration process or a torque build-up, the results of such stationary experiments are often used. Even with fine rasterization of the stationary engine map data an uncertainty remains, because only a quasi-stationary analysis is possible by principle. Therefore, this work extends the established tool chain for analysis and simulation of the engine process to include transient models. Especially with spontaneous load requests, the actuators on the engine and particular parameters only take the required positions and values after a certain period of time. Thereby the stationary operating condition is set. Consequently, during a change of operating point, the operating conditions at the passed operating points are different from those in stationary operation. Repeated measurements as well as the synchronization of the test bench control and measuring equipment make it possible to generate transient operating points on the engine test bench, which represent the actual sequence of the passed operating points based on an average operating cycle. This allows to reproduce the transient system behavior of the investigated engine independently of cycle fluctuations and measurement uncertainties. Furthermore the differences between stationary and transient operating points can be indicated. With this procedure, a detailed understanding of the real processes in a vehicle operation is possible, and the previous error can be quantified by a simplified quasi-stationary method. Beside all the necessary adjustments of the test bench architecture and the thermodynamic analysis of transient operating points, a model for the determination of the combustion chamber wall temperature during transient operating phases is presented. In addition, detailed conformity analyses of characteristic operating parameters of stationary and transient operating points are carried out. In particular the differences in the residual exhaust gas content and excess-air factor show that the processes during the transient operating phases have an influence on the passed operating points that cannot be ignored. The level of deviations is linked to the operating dynamics. Conclusively the resulting influences on the engine process are discussed.

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