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Maschinenwesen (Subject) / Motorthermodynamik (Lesson)

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• Paketmodell - Modellvorstellung (5 étapes) - Unterteilung (radial und axial) des Einspritzstrahls in kleine Zonen (Pakete) - Jedes Paket ist separater thermodynamischer Kontrollraum - Addition der in den Paketen gerechneten Brennraten ergibt den Gesamtbrennverlauf - Keine Vermischung und kein Austausch der Pakete untereinander  - Separate Berechnung der Tropfenbildung, Verdampfung, Zündung und Verbrennung für jedes einzelne Paket 
• SMD Definition Sauterdurchmesser (Sauter Mean Diameter): Durchmesser eines repräsentativen Tropfens, dessen Verhältnis von Volumen zu Oberfläche gleich dem Verhältnis von Gesamtvolumen zu Gesamtoberfläche aller Tropfen im Strahl ist d_m = 2*r_m = 2*3*V/O
• Die Umsetzungsrate wird limitiert durch: - Bereits verdampfte Kraftstoffmasse - Vorhandene Luftmenge - Maximale chemische Umsatzrate
• Kapitel 8 --> Annahme des NO-Modell ? Atomarer Stickstoff reagiert sofort weiter dN/dt = 0 Partielles Gleichgewicht
• Kapitel 8 --> Rußmodell: Mechanismus und Modell? Ruß entsteht durch Pyloryse der Kraftstoffmoleküle bei Sauerstoffmangel Nach Kozuch: Enstehung in der Flammenfront --> Aufteilung der Flamme in stöchimometrischen (s) und unterstöchiometrischen (f) Bereich
• Ladungsbewegung beeinflusst ... ? 1. Gemischbildung2. Verbrennung3. Wandwärmeübergang4. Emissionsentstehung
• Strömungsmodellierung im Zylinder 1. Quetschströmung: - Aufteilung des Brennraums in 3 Kontrollvolumina - Strömung aus Massenerhaltung 2. Drallmodellierung - Aufteilung des Brennraums in 2 Kontrollvolumina - Startbedingung aus LDW
• Kapitel 8 --> Entrainment-Modell: Teilschritte des Flammenausbreitung? 1. Eindringen der Flamme - In unverbranntes Gemisch - Ohne Wärmefreisetzung - Mit turbulentem Fortpflanzungsmechanismus 2. Wärmefreisetzung durch Verbrennung - Modellireung der charakteristischen Brennzeit tau_v = l_T / s_l - Umsatzrate dm_v/dt = (m_e - m_v)/tau_v
• Definition des Flammengeschwindigkeit und Einflussfaktoren (Laminare Flammengeschwindigkeit) Definition des Turbulente Flammengeschwindigkeit Flammengeschwindigkeit: Ausbreitungsgeschwindigkeit der vorgemischten Flammenfront Laminare Flammengeschwindigkeit beeinflusst durch: - Reaktionskinetik - Wärmeleitungsprozesse - Diffusionsprozesse Turbulente Flammengeschwindigkeit: Durch Interraktion mit der turbulenten Strömung (Wirbeln) wird die glatte laminare Flammenfront gefaltet
• Übergang laminare auf turbulente Flammenfront (conditions requises?) Beide Flammenfronten müssen dasselbe Volumen einnehmen A_t * s_t = A_l * s_l
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• Vorkammerverfahren - Caractéristiques - Fette VK-Verbrennung (kürzerer Zündverzug) - Erhöhte Turbulenz im HBR - Charakterischer Peak im Brennverlauf
• Kraftstoffumsetzung - Vorkammerverfahren 1. Keulenförmige Flammenfront (Vergrößerte Flammenfrontfläche) 2. Entrainment (Mitreißen unverbrannter Ladung - Sekundärluft - in den HBR durch die aus der Vorkammer austretenden Fackelstrahlen) 3. Erhöhte Turbulenz im HBR
• Vorkammer Ladungswechsel - 2 Caractéristiques? - Spülen der Vorkammer mit Brenngas während LDW/Beginn Kompression --> Anfetten - Überschieben (= pousser le fluide) von magerer Ladung in die Vorkammer während der Kompression --> Abmagern des Gemischs in zündfähigen Bereich
• Verbrennungsablauf in Vorkammer und Hauptbrennraum: Hauptunterschiede ? - 2 Verbrennungen in 2 thermodynamischen Systemen mit je 2 Zonen - Koppelung der Systeme durch Überströmbohrungen - Zunächst fackelförmige Flammenausbreitung im HBR, dann Übergang zu hemisphärischer Flammenausbreitung
• Definition von Aufbruchzeit Welche Modell kann man nutzen ? Aufbruchzeit: Zeitspanne des Zerfalls der flüssigen Phase in Tropfen Modell nach Hiroyasu und Arai --> Aufbruchszeit ; Axiale Eindringtiefe des Sprays ; Einspritzstrahlkegelwinkel
• Modellierung der Reibung - Welche Modelle ? (Für Otto und Diesel) - Thiele, Kochanowski (Dieselmotoren) - Schwarzmeier (2 Ansätze für Dieselmotoren) - Patton, Nitschke, Heywood (fremdgezündete Motoren)
• Geben Sie das Workflow 3D-CFD Slide 7-4 Zielsetzung    Geometrie   Vernetzung   Simulation   Postprocessing Randbedingungen
• Definition von Bewegte Netze (Moving Boundary Method) Morphing und Rezoning - Vergrößerung des Brennraumvolumens durch Axialbewegung des Kolbens - Kompensation der Streckung der Zellen durch Einfügen neuer Zellen in axialer Richtung Starres Netz - bewegte Systemgrenze - Vernetzung des Rechengebiets bei maximaler Ausdehnung (beim Motor im UT) - Kolbenbewegung als bewegliche Grenze im Rechennetz
• Netz eines Brennraumsegments --> Erklären - Unterteilung symmetrischer Brennräume - Reduktion der Zellenanzahl und Berechnungsdauer
• Turbulenzmodell k-epsilon - Présentation - Spezifische turbulente kinetische Energie k - Dissipationsrate epsilon - Modellierung der Turbulenzbewegung
• Simulation von Ladungswechsel - Entscheidender Einfluss des Ladungswechsels auf die Verbrennung - Turbulenz in Strömungen durch Geschwindigkeitsgradienten induziert - Reduktion der Schwankungsbewegungen durch Dissipation - Statiönare Rohrströmung als Basis für Beschreibung der Ladungsbewegung im Zylinder - Reynolds Zahl als Charakteristik führ Strömung - Bohrungsdurchmesser als charakteristisches Längenmaß - Re_t = u' * l / nu
• Kapitel 7 : Einspritzung - Schema Slide 7-19
• Erklären Mehrphasenströmung + Beispiel Applikation - Euler-Euler Modell: jede Phase wird als ein Kontinuum betrachtet - Euler-Lagrange Modell: Beobachtung einzelner Partikel in der Strömung 
• Herausforderungen der Modellierung des Einspritzung - Hohe Drücke ( > 2000 bar) - Kleine Spritzlochdurchmesser (d = 0.2 mm) - Entstehung von Kavitation im Spritzloch --> Zwei-Phasen Strömung
• Abschätzung ob Kavitation auftritt in die Düseninnenströmung ? - Kavitationszahl (Caviation number CN) - Ab CN = 1.2 --> Kavitation - CN ist stark von Spritzlochgeometrie abhängig - CN ist nur "vereinfachte" Berechnung (bildet nicht die gesamte Strömung ab ; Nulldimensionale Betrachtung)
• Rayleigh-Zerfall - Description - Geringe Strahlgeschwindigkeit - Einfluss Strahlaufbruch : surface tension  - Störungen: axialsymmtr. Schwingungen und Einschnürung führt zu Strahltzerfall - Tropfen größer als Düsendurchmesser
• Erster windinduzierter Zerfall - Description - Zusätzlich Einfluss aerodynamischer Kräfte  - Schwingungen werden verstärkt --> schnellerer Zerfall - Tropfendurchmesser = Düsendurchmesser 
• Erster windinduzierter Zerfall - Description - Zusätzlich Einfluss aerodynamischer Kräfte  - Schwingungen werden verstärkt --> schnellerer Zerfall - Tropfendurchmesser = Düsendurchmesser 
• Zweiter windinduzierter Zerfall - Description - Erhöhung Strahlgeschwindigkeit --> Verstärkung axialsym. Schwingungen und Transversale Schwingungen - Herauslösen kleiner Tröpfchen aus Hauptstrahl - Tröpfen kleiner als Düsendurchmesser
• Atomisierung/Zerstäubung - Description - Strahloberfläche nach Austritt zerstört - Im inneren kompakter flüssiger Kern - Aufbruchslänge abh. Von Düsengeometrie
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• Primäraufbruch - Description - Eingeteilt in 4 Ohnesorge-Regimes - Die Umbegungsbedingungen lassen sich durch folgende Kennzahlen charakterisieren  Re = Trägheitskraft/Reibungskraft We = Träheitskraft/Oberflächenkraft Oh = sqrt(We)/Re
• Sekundäraufbruch - Description - Sekundäraufbruch beschreibt den Aufbruch der vorhandenen Ligamente, Fäden, etc. In kleinere stabile Tröpfchen - Strahlkern: fast nur Flüssigkeit; aerodynamischen Kräfte spielen kaum eine Rolle; Zerfall durch Turbulenz und Kaviationsblasen - Rand der Kernzone: Gasanteil nimmt zu; Wechselwirkung zwischen Gas und Flüssigkeit gewinnt an Einfluss - Dünne Strahlzone: Flüssigkeitsanteil stark gesunken; jaune noch Tropfenkollisionen; aerodynamische Effekte führen vermehrt zum Aufbruch
• Sekundäraufbruch - Description of Tropfenaufbruchmechanismen and Ursache für Tropfenzerfall 1. Tropfenaufbruchsmechanismen - Untercheidung nach Weber-Zahl - Treibende Kraft für Zerfall -Relativegeschwindigkeit (Tropfen/Gas) - Stabilisierend gegen Zerfall - Oberflächenspannung - Abbremsung der Verformung durch Viskosität --> Verlängerung der Tropfenlebensdauer 2. Ursache für Tropfenzerfall - Kevin-Helmholtz Instabilitäten - Rayleigh-Taylor Instabilitäten  - Abscherung Tropfen/Gas-Grenzschicht durch aerodynamische Kräfte 
• Instabilitäten beim Sekundäraufbruch - Kelvin-Helmholtz Instabilitäten --> langsame Reduktion Tropfengröße - Rayleigh-Taylor Instabilitäten --> Zerbrechen des Tropfens in große Fragmente
• Welche Kennzahl beschreibt die turbulente und chemische Zeitskala? Damköhler Zahl Da = tau_t / tau_c
• Welche Kennzahl vergleich der Laminaten Flammen und der Kolmogorov Zeiskala ? Karlovitz Zahl Ka = tau_l / tau_k Ka < 1 --> ebene oder gefaltete Flammenfront Ka > 1 --> verteilte Reaktionszonen 
• Kapitel 7 : Diagramm Flammentypen in Verbrennungsmotoren Slide 7-45
• Zündprozesse - Klassifizierung - Thermische Explosion - Chemische Kettenreaktion
• Zündprozesse - Klassifizierung - Thermische Explosion - Chemische Kettenreaktion
• Zündung - Thermische Explosion - Modellierung? - Modellierung der Wärmeproduktion (steigt exponentiell mit der Temperatur) - Modellierung des Wärmeverlustes (steigt linear mit der Temperatur) Wärmeproduktion > Wärmeverlustes --> T steigt --> Thermische explosion
• Kapitel 7: Zündung thermische Explosion --> Was sind die Punktname, wenn die Wärmeproduktion gleich die Wärmverlustes ist? - Erste Punkt: stabiler Punkt - Zweite Punkt: metastabiler Punkt
• Kapitel 7: Beschreibung des Chemische Kettenreaktion - Zündung is nicht direkt von der Temperatur abhängig sondern vom Reaktionspfad - Radikale, die in den Reaktionsschritten einer Kettenreaktion gebildet werden, bewirken letztendlich die Zündung
• Kettenreaktion Diagramm Slide 7-52
• Unterschied zwischen einer thermischen und chemischen Explosion/Zündung? Zeit --> Zündverzug - Thermische Zündung startet instantan - Chemische Zündung benötigt Zeit, da anfangs nur wenig Radikale gebildet werden (Temperaturzuwachs ist gering) 
• Wie kann die Zündverzug (für einer chemischen Zündung) reduziert werden? Kann durch externe Energieeinbringung (Zündkerze) reduziert werden
• Zündgrenzen Diagramm Slide 7-56
• Was (und wo) sind die Komplexe Zündgebiete? Wo--> Bei niedrigen Temmperaturen und hohen Drücken Was --> Mehrstufige Zündung (Zündung nach Emission kurzer Lichtpulse) und Kälte Flamme (langsame Zündung, langsamer Temperaturanstieg)
• Graph Zündverzug / Temperatur bei Cool-Flame Zündung Localisation of NTC Abhängig von ? NTC = Negativer Temperaturekoeffizient Slide 7-58 Abhängig von Kraftstoffart und Druck
• Mit welche Modelle kann man modellieren der Selbstzündung? - Single Step Mechanismus (für Diesel, nicht für HCCI) - Shell Modell (für Otto und Diesel, aber nicht für HCCI9
• Gründsätzliche Idee des Eddy-Breakup Modelle ? Verbrennungsrate wird von der Mischung (Turbulenz) und der chemischen Umsetzung (laminare Flamme) bestimmt

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