Thermodynamische Wirkungsgrad-Verlustanalyse eines turboaufgeladenen Ottomotors

Abstract

An einem turboaufgeladenen Vierzylinder-Ottomotor wurde am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der Technischen Universität Wien im Rahmen eines Forschungsvorhabens der Betrieb eines Ottomotors mit Saugrohrwassereinspritzung und Niederdruck-Abgasrückführung realisiert.Das Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung einer thermodynamischen Wirkungsgradverlustanalyse für den Ottomotor, der bei verschiedenen Untersuchungspunkten betrieben wurde. Die Parametervariation wurde durch den Betrieb mit/ohne Abgasrückführung und mit/ohne Wassereinspritzung realisiert. Für eine thermodynamische Analyse wurde ein Vierzylinder-Motormodell im Programm GT-Power aufgebaut und der Motorbetrieb für alle Untersuchungspunkte simuliert.Während der Modellierung wurden alle Leitungen beginnend mit dem Ansaugrohr bis zum Abgasrohr sowie der Turbolader und der Brennraum berücksichtigt, und genauso wie am Motorprüfstand dimensioniert. Die Modellierung entspricht somit dem Versuchsträger am Prüfstand und bietet gute Genauigkeit. Im Zuge der Modellerstellung wurde zuerst eine Druckanalyse an einem Einzylinder-Modell durchgeführt, damit die gewonnene Druckverläufe für Vierzylinder-Modell wie bei dem realen Motor ablaufen. Für die Simulation mit der Wassereinspritzung wurden zusätzliche Wasserinjektoren in den Saugrohren eingebaut. Die Abgasrückführung wurde mittels implementierter Elementen realisiert.Die durchgeführte Analyse hat gezeigt, dass die Verlustteilung im Vergleich zum Basismotor geändert wurde. Die Wassereinspritzung und die Abgasrückführung dienen hauptsächlich dazu, dass die Verdichtungsendtemperatur reduziert wird und damit der Verbrennungsschwerpunkt zu den früheren Zeitpunkten verschoben werden kann, ohne eine Erhöhung der Klopfneigung. Dementsprechend wurden die Verluste durch den Verbrennungsschwerpunkt und unvollständige Verbrennung reduziert. Gleichzeitig wurden die Wandwärmeverluste, Ladungswechselverluste und die Verluste durch den tatsächlichen Brennverlauf geringfügig erhöht.Der indizierte Wirkungsgrad des Motors hat bei dem Untersuchungspunkt mit 10%-AGR und 60 m%-Wasser den größten Wert. Für eine weitere Wirkungsgradsteigerung können andere Systemarten von Wassereinspritzung und Abgasrückführung verwendet werden.

This research project discusses the operation of a turbocharged four-cylinder spark ignition engine running with water injection and exhaust gas recirculation. The project was carried out at the Institute for Powertrains and Automotive Technology of the Vienna University of Technology.The aim of this thesis is to present an efficiency loss analysis for a spark ignition engine running at different operating points. The parameter variation was realized by operating with / without exhaust gas recirculation and with / without water injection. For a thermodynamic analysis, a four-cylinder engine model was set up in the GT-Power program and engine operation was simulated for all operating points.During the modeling phase, all pipelines starting with the intake manifold to the exhaust pipe as well as the turbocharger and the combustion chamber were considered and dimensioned in the same way as on the engine test bench. The modeling corresponds to the test vehicle on the test bench and offers a good accuracy. During modeling a pressure analysis was first carried out on a single-cylinder model, so that pressure curves for the four-cylinder model were equal to those in the real engine.Additional water injectors were installed in the intake manifolds for the simulation with water injection. Exhaust gas recirculation was implemented using implemented elements. The analysis carried out has shown that the engine's loss ratio changed in comparison with the base engine. The main purpose of the water injection and exhaust gas recirculation is to reduce the compression end temperature and thus to shift the focus of combustion to the earlier points in time without increasing the knocking tendency. The losses due to the center of combustion and incomplete combustion have been correspondingly reduced. At the same time, the wall heat losses, gas exchange losses and the losses due to the actual combustion process were slightly increased.The indicated efficiency of the engine has the greatest value at the operating point with 10% EGR and 60 m% water. To further increase efficiency, other types of water injection and exhaust gas recirculation systems can be used.