Ein Beitrag zur Prozessrechnung an Verbrennungsmotoren unter Berücksichtigung der realen Gaseigenschaften

Translated title
An approach for calculating the thermodynamic working cycle on combustion engines taking into account the real gas properties
Publication date
2014
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Wolgast, Eike
Advisor
Thiemann, Wolfgang
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2014-03-21
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Realgasfaktor
Compressibility Factor
Ottomotor
Dieselmotor
Thermodynamik
Kompressibilitätsfaktor
Abstract
The engine calculation is an established tool for describing the thermodynamic process in internal combustion engines. The process gas is often described as an perfect gas and thus allows a relatively simple way of modeling. However, the behavior of a gas can only be seen as perfect up to 5 bar because the intermolecular interactions increase at higher pressures. The peak pressures in current internal combustion engines are already > 200 bar and are thus clearly above the stated limit. In research projects even peak pressures up to 365 bar were investigated. In this work, an approach is presented, which takes into account the real gas properties of the exhaust within the engine calculation. Basis of the developed model is a chemical equilibrium calculation, which results in the composition of the exhaust. The consideration of the real gas properties is done using the virial equation, which is parameterized based on the concentrations as a result of the chemical equilibrium calculation. The virial equation can be solved analytically and is validated for a pressure range of up to 400 bar. The results on a research gasoline engine show that the chemical equilibrium calculation reproduces the physical effects in both the under - and over-stoichiometric area very well. Measurements on a research diesel engine demonstrate the influence of the real gas properties on the working process. The deviations in the calculated cylinder pressure at a peak pressure of 170 bar are up to 6 bar neglecting the real gas behavior, whereas the deviations are at a significantly lower level taking into account the real gas properties. In addition, these deviations are estimated for cylinder peak pressures up to 400 bar based on engine simulations. Furthermore, the deviation of the cylinder pressure at top dead center between ideal and real gas behavior in the towed engine operation is given for a variation of the boost pressure and the compression ratio. This illustration allows an estimation of the real gas influence on the working cycle of engines with different combustion processes.
Die Prozessrechnung ist ein etabliertes Werkzeug zur Abbildung der thermodynamischen Vorgänge innerhalb von Verbrennungsmotoren. Das Arbeitsgas wird häufig als ideales Gas beschrieben und erlaubt so eine verhältnismäßig einfache Modellbildung. Allerdings ist das Verhalten eines Gases nur bis etwa 5 bar als ideal anzusehen, da bei höheren Drücken die intermolekularen Wechselwirkungen verstärkt zum Tragen kommen. Die Spitzendrücke in Verbrennungsmotoren sind im Serieneinsatz bereits > 200 bar und liegen damit deutlich oberhalb der genannten Grenze. In Forschungsprojekten wurden sogar Spitzendrücke von bis zu 365 bar untersucht. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der die realen Gaseigenschaften des Abgases innerhalb der Prozessrechnung berücksichtigt. Grundlage des entwickelten Modells ist eine chemische Gleichgewichtsrechnung, deren Ergebnis die Zusammensetzung des Abgases liefert. Die Berücksichtigung der realen Gaseigenschaften erfolgt mittels der Virialgleichung, die aufbauend auf der chemischen Gleichgewichtsrechnung mit den Konzentrationen der jeweiligen Spezies parametriert wird. Die Virialgleichung ist vollständig analytisch lösbar und wird für einen Druckbereich von bis zu 400 bar validiert. Die Ergebnisse an einem Forschungs-Ottomotor zeigen, dass die chemische Gleichgewichtsrechnung die physikalischen Wirkzusammenhänge sowohl im unter- als auch im überstöchiometrischen Bereich plausibel abbildet. Messungen an einem Forschungs-Dieselmotor belegen den Einfluss der Realgaseigenschaften auf den Arbeitsprozess. Die Abweichungen im berechneten Zylinderdruck betragen bei einem Spitzendruck von 170 bar unter der Vernachlässigung des realen Gasverhaltens bis zu 6 bar, wohingegen die Abweichungen unter Berücksichtigung der Realgaseigenschaften auf einem deutlich geringeren Niveau liegen. Darüber hinaus werden diese Abweichungen anhand von Simulationsrechnungen für Spitzendrücke von bis zu 400 bar abgeschätzt. Weiterhin erfolgt die Angabe der Abweichung des Zylinderdrucks im oberen Totpunkt zwischen idealem und realem Gasverhalten im geschleppten Motorbetrieb in Abhängigkeit vom Ladedruck und vom Verdichtungsverhältnis. Durch diese Darstellung ist eine Abschätzung des Realgaseinflusses auf die Arbeitsprozesse von Motoren mit unterschiedlichen Brennverfahren möglich.
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