Vorwort zur Online - Ausgabe des "Rechenmodells zur Simulation eines realen Motors"

Mit dem Gedanken habe ich mich schon seit vielen Jahren getragen.

Die Daten der Original 5 1/4 Zoll Floppy-Disketten hatte ich schon im September 2007 gerettet. Dazu stattete ich einen modernen XP-Rechner mit einem alten Floppylaufwerk aus. Die 15 Jahre alten 5 1/4 Zoll Disketten waren alle noch lesbar; nicht eine einzige war defekt.

Ich konnte also die ursprünglichen Daten von 1991/92 in meinen Rechner einspielen. Aber verarbeiten? Das Originaltextprogramm war WordPerfect 3.1; es läuft unter DOS und kann nicht mit Windows betrieben werden. Der Versuch, die .txt Dateien mit Word zu öffnen lieferte nur Zeichensalat. Also habe ich jahrelang "ab und zu" mal Versuche gemacht.

Den Umschwung brachte die Anschaffung von Word Perfect X3. Es konnten nicht nur die alten Dateien nahezu perfekt eingelesen werden, sondern auch alle meine "Sonderwünsche" wie die Integration von Scans der Originalgrafiken und die Ausgabe auf PDF ließen sich realisieren.

Es war mir sehr wichtig eine möglichst authentische Online-Ausgabe der Papierversion zu erstellen. So ist trotz der unvermeidlichen Layoutanpassungen das ursprüngliche Inhaltsverzeichnis mit den Seitenangaben 100% gültig geblieben.

Den blauen Einband und das Deckblatt habe ich per Computer zu der untenstehenden Grafik verschmolzen, was 1992 schon mein Wunsch für die Gestaltung des Einbands war sich damals aber aus drucktechnischen Gründen nicht realisieren ließ.

Das Buch selber ist der Größe wegen in 14 Teile aufgeteilt; die einzelnen PDF-Dateien sind sowohl Online lesbar als auch downloadbar.

Mein nächstes Ziel ist eine Online-Version des Programmes selber, vielversprechende Versuche sind schon durchgeführt.

Hans-Gerd Schmitz

Rötgesbüttel, im März 2009

Im Folgenden finden sich Auszüge aus dem Buch, die eine kurze Zusammenfassung darstellen und gleichzeitig als Suchtext dienen mögen.

Vorwort

Ein größeres Programm zu schreiben ist wie einen Sack voller Flöhe zu hüten. Ständig werden die Werte irgendwelcher Variablen vermißt oder das Programm macht nicht das, was es soll.

Auch mir blieb diese Erfahrung nicht erspart.

Als ich im Sommer 1991 die Aufgabe übernahm, ein Computerprogramm zu schreiben, das einen Motor simuliert, war ich der Meinung, dies in einem zusammenhängenden Programm erledigen zu können. Aber es wurde im Laufe der Programmentwicklung immer klarer, daß selbst moderne Rechner nicht über den dazu nötigen Speicherplatz verfügen. Am Schluß wurden aus dem einen geplanten Programm neun selbständige Programme, die miteinander vernetzt sind. Die Menge des benötigten Programmcodes schwoll auf 1,5 MegaByte an. Eine Masse, die (fast) nicht mehr zentral zu bewältigen ist.

In diesem Buch wird nun der Versuch gemacht, die einzelnen Bausteine des Programms so zu erklären, daß auch ein Außenstehender sich in die Problematik hineinversetzen kann. Dazu wird die Gliederung des Buches nach dem Programm ausgerichtet. Die angewandte Technik der strukturierten Programmierung ermöglicht eine Teilung des Problems in kleine Teilprobleme.

Das Programm besteht aus 9 Modulen, jedes dieser Module wiederum aus mehreren Unterprogammen. Jedes Modul bildet im Buch ein Kapitel, in einem Kapitel jedes Unterprogramm ein Unterkapitel. Die Listings werden Stück für Stück auf die Unterkapitel verteilt. Die Module sind in einer Sinnreihenfolge bearbeitet, die Unterprogramme alphabetisch. Dies schien für das Verständnis der sinnvollste Weg zu sein, auch mit Blick auf eine eventuelle spätere Änderung des Programms.

An dieser Stelle möchte ich all denjenigen meinen Dank aussprechen, ohne deren Hilfe die vorliegende Diplomarbeit in dieser Form nicht hätte erstellt werden können (in alphabetischer Reihenfolge):

Herrn W. Bockelmann, Fa. Adam Opel AG

Herrn Brömmel, Fa. Audi AG

Herrn Johnson, Fa. Porsche AG

Herrn Prof. Dr. W. Jordan, Fachhochschule Köln

Frau C. Jung

Frau Ch. Mouterde

Frau L. Petit

Herrn Prof. Dr. P. Schöndorf, Fachhochschule Köln

Hans - Gerd Schmitz

Köln, im Februar 1992

Aufgabenstellung

Prof. Dr.-Ing. W. Jordan

Fachbereich Fahrzeugtechnik

WS 1991/92

Diplomarbeit für Herrn Hans-Gerd Schmitz, Matr. Nr. 139 420

Die zukünftige Entwicklung von Verbrennungsmotoren wird im wesentlichen bestimmt werden durch die Forderungen nach minimaler Schadstoffemission und geringerem Kraftstoffverbrauch.

Dabei wird im Rahmen der CO2-Diskussion und des dadurch wahrscheinlich verursachten Treibhauseffektes der Kraftstoffverbrauch bzw. die Wirtschaftlichkeit bei weitem im Vordergrund der Entwicklungsaktivitäten stehen.

Die Wirtschaftlichkeit eines Ottomotors bzw. dessen Wirkungsgrad kann durch eine Vielzahl von Parametern beeinflußt werden. Z.B. könnte eine Anhebung des Verdichtungsverhältnisses über die heute üblichen Werte hinaus eine deutliche Wirkungsgradsteigerung bewirken. Dem steht aber das bis heute noch nicht ganz verstandene Phänomen der klopfenden Verbrennung beim Ottomotor entgegen.

Im Hinblick auf ein besseres Verständnis des Klopfens soll in dieser Arbeit der Versuch unternommen werden, die beim Klopfen "schlagartig" umgesetzte Gemisch- bzw. Kraftstoffmasse zu bestimmen.

Hierzu soll der Arbeitsprozeß des realen Motors einschließlich Gaswechsel, Verbrennung (mit Hilfe der VIBE-Funktion), Wärmeübergang und polytroper Verdichtung sowie Expansion vereinfacht mit Hilfe eines Rechenprogrammes dargestellt werden. Dabei soll es möglich sein, Einflüsse z.B. des Verdichtungsverhältnisses, der Brenndauer, der Drosselung, der Drehzahl und des Zündzeitpunktes auf den Innenwirkungsgrad systematisch zu untersuchen.

Kurzergebnis

Ziel dieser Diplomarbeit war es, ein Rechenprogramm zur Simulation eines wahren Ottomotors zu erstellen. Als Spezialfall sollte vorgesehen sein, auch eine klopfende Verbrennung zu berechnen.

Beide Ziele sind erreicht worden.

Ursprünglich war 1 Programm geplant.

9 sind daraus geworden.

Dieses Programmpaket beansprucht einen Speicherplatz von ca. 1,5 MegaByte und ist auf 5 Stück 5,25 Zoll Disketten untergebracht. Im Gegensatz zu den eher spartanisch ausgestatteten Vorgängerversionen bietet das Programm folgende Optionen:

- Wahl zwischen Ottomotor und Dieselmotor

- Aufladung simulierbar

- Adaption an Hercules und VGA Grafiksysteme möglich

- PrintScreen von allen Text- und Grafikbildschirmen

- animiertes Logo

- Auswahl zwischen 14 fest eingebauten Ventilerhebungskurven

- Eingabe von weiteren Ventilerhebungskurven während des

  Programmablaufs mit wenigen Tastendrücken möglich

- Ausdrucken aller Input- und Outputwerte möglich, komplett oder in Teilen

- Darstellung 5 verschiedener Diagramme, entwickelt aus den berechneten Daten

- Eigene Routine zum Drucken von Diagrammen

Ausblick

Das in der vorliegenden Monographie beschriebene Programm kann für 2 Zwecke eingesetzt werden:

1)      Grundlagenuntersuchung der Einflüsse verschiedener Parameter auf den          motorischen Prozeß

2)      Nachstellen bzw. Vorausberechnung realer Motoren

Soll das Programm nach Punkt 1) benutzt werden, so werden alle Parameter (Inputvariablen) sinnvoll vorbesetzt. Jede der einzugebenden Größen kann (in Grenzen) beliebig geändert und dauerhaft gespeichert werden. So ist es möglich, wenn z.B. Einflüsse des Verbrennungsluftverhältnisses Lambda untersucht werden sollen, alle anderen Variablen konstant zu lassen und nur eine zu variieren. Durch die benutzerfreundliche Menüstruktur wird diese Anwendungsweise unterstützt.

Beim Nachrechnen realer Motoren ist das größte sich stellende Problem die Ermittlung der diversen Eingabedaten. So muß die komplette Ventilerhebungskurve nachgestellt werden. Die Daten können als Zahlenwerte (oder als Diagramm) vorliegen. Ist dies nicht der Fall, müssen sie gemessen werden. Das Programm bietet zum Einlesen von Ventilerhebungskurven den Editor mit kubischen Splines an.

Natürlich ist es auch möglich, in erster Näherung eine Kurve unter den 14 verfügbaren auszuwählen.

Einige weitere schwierig zu messende Parameter sind z.B. der Durchflußbeiwert des Ventils my oder der Polytropenexponent n.

Deshalb reicht es notfalls, nur alle Werte neu zu besetzen, die bekannt sind.

Zur Simulation des Klopfens ist die Kenntnis des Verbrennungscharakters m Voraussetzung. Dieser kann nach einem Verfahren von [20] an realen Motoren bestimmt werden. Für den Klopfbeginn haben sich Werte als reell erwiesen, die um 90 % liegen. Dann zeigt sich in den Diagrammen der sprunghafte Druckanstieg, wie er aus der Literatur bekannt ist.

Zum Einstellen der Last wird der Ansaugdruck geändert. Durch Werte über Atmosphärendruck lassen sich aufgeladene (Kompressor-) Motoren simulieren.

Turbolader

Die perfekte Simulation einer Aufladung durch einen Turbolader benötigt natürlich keine reine Steuerung, sondern eine Regelung, d.h. es müßte eine Schleife um das ganze Arbeitsspiels gelegt werden, die ähnlich wie das Einpegeln des stationären Zustandes mit Hilfe des SUB's Genauigkeitstest, zusätzlich eine Iteration Motor-Turbolader durchführt. Simulationen von Turboladern sind in der Praxis nicht üblich. In der Regel wird ein Turbolader nach Trial and Error ausgelegt. [40] allerdings haben auf dem Gebiet der Berechnung von Ladern erste Fortschritte erzielt.

2-Takter

Es wäre wünschenswert gewesen, das Programm auf eine Berechnung von 2-Taktern auszudehnen, um ihm ein weiteres Stück Pluralität zu geben. Die Gleichungen für 2-Takter differieren in den einzelnen Arbeitsspielen gegenüber denen für 4-Takter. Dennoch sind alle notwendigen Gleichungen in der einschlägigen Literatur bekannt. Die Implementierung im Programm scheiterte an einer anderen Tatsache: Der ganze Algorithmus zum Berechnen des Arbeitsspiels ist auf der Teilung in 4 Takte aufgebaut. Alle Grenzen, alle Dateien richten sich danach. Zur Implementierung des 2-Takters hätte eine komplett andere Organisation der Daten stattfinden müssen. Dies wäre einem zweitem Programm (für den Bereich Verarbeitung) gleichgekommen.

Gasschwingungen

Wie schon im Kap. 13.14 angesprochen, ist das Programm nicht auf eine Berücksichtigung von Schwingungsvorgängen ausgelegt. Dies hätte der Umfang der Arbeit überfordert. Nichtsdestotrotz besteht die Möglichkeit, in zukünftigen Versionen Gasschwingungen zu implementieren. Zu der berechneten statischen Druckwerten könnten zusätzlich die dynamischen ermittelt und den statischen überlagert werden. Angeregt durch die instationäre Bewegung der pulsierenden Gasmasse bilden sich 2 Wellen aus: die des Ansaugweges und die des Auslaßweges. Für die Welle bilden die Ventile Unstetigkeitstellen. Auf der Einlaßseite läuft die Welle zwischen Ventil und Rohrmündung (idealisiert) hin und her. Für die Auslaßseite muß beachtet werden, daß die Eigengeschwindigkeit der Gasmasse beträchtlich ist. Beim Aufstellen der Differentialgleichung für die Druckänderung käme ein weiteres Glied hinzu.

Schwingungen beim Klopfen

Ausgehend von dem Ansatz der Gasschwingungen in die Gaswechselorganen, könnten auch Schwingungen im Arbeitstakt berücksichtigt werden. Deren Ursache allerdings wäre die Flammenfront, die wie ein Kolben wirkt. Eventuell ergäbe sich die Möglichkeit, die von [20] qualitativ manifestierte Ungleichung delta p >= delta pk zu quantifizieren und so eine "Vollautomatik" für das Klopfen zu ermöglichen. Die dann berechneten Diagramme würden - hoffentlich - nicht nur den sprunghaften Druckanstieg, sondern auch die anschließenden Druckschwingungen erfassen.

Runge-Kutta beim Integrieren

Die während des Ladungswechsels notwendige Integration wird nach dem "verbesserten Polygonzugverfahren" vorgenommen. Dies ist nicht die ultimative aller möglichen Lösungen. Bei zukünftige Versionen wäre ein Abwandern  zu der Integration nach Runge-Kutta in Erwägung zu ziehen.

Weitere Diagramme

Aus Zeitgründen wurden im Programm (nur) 5 Diagramme realisiert. Es ist aber durchaus denkbar, noch eine Anzahl weiterer Diagramme aus den berechneten Daten zu erstellen. Beispielsweise könnten das sein:

Motorkennfeld

Beim Einsatz sehr schneller Rechner bietet sich ein zusätzliches Bonbon an: Das gesamte hier dargestellte Programm könnte als ein einziges Intervall bei der Erstellung eines Motorkennfeldes herangezogen werden.

Dazu müßte um die komplette Verarbeitung eine weitere Schleife gelegt werden, die die Drehzahl variiert. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten wären nahezu grenzenlos: Es ließen sich Abgaskennfelder, Verbrauchskennfelder und Leistungskurven ermitteln. Es könnten Parameter variiert werden, die nicht mehr Funktionen des Kurbelwellenwinkels wären. Z.B. ließen sich Kurven mit Lambda als unabhängiger Veränderlichen entwickeln.

Bei Vorgabe eines mechanischen Wirkungsgrades schließlich wäre der Weg zum Fahrsimulator nicht mehr weit.

Die gleichzeitige Erweiterung auf Motorkennfeld und Turbolader wäre zwar mit technischen Problemen verbunden, aber theoretisch durchaus machbar.

Mehrsprachige Programmierung

Beim Übergang auf eine mehrsprachige Programmierung wären die Textstellen nicht mehr als PRINT-Befehle zu programmieren, sondern als Datenfeld anzulegen, das variabel abgerufen werden müßte. Aus praktischen Gründen sollte darauf geachtet werden, daß die Übersetzungen so gewählt werden, daß sich eine etwa gleiche Buchstabenzahl ergibt, um das Layout des Bildschirms zu wahren. Bei Sprachen, die nicht das lateinische Alphabet benutzen, wäre der Übergang auf ein Nur-Grafik-Programm angebracht, das nur noch im Grafikmodus arbeitet (Das vorliegende benutzt für sowohl Text- als auch Grafikmodus). Vorstellbar wäre eine Sprachwahl durch ein Menü ähnlich der in dieser Version realisierten Bildschirmwahl.

Bedienung mit der Maus

Um dem Anwender das Leben noch leichter zu machen, könnte in zukünftigen Versionen eine (zusätzliche) Bedienung des Programms über eine Maus vorgesehen werden. Dazu würden die Menüpunkte nicht mehr mit den Cursortasten, sondern mit einem Mauszeiger ausgewählt.

Summary in English

Computer program to simulate a real combustion engine

Introduction

To write a larger program is like to watch a sack full of fleas. Constantly the values of any variables are being missed, or the program is not doing what it should.

I too was not spared this experience.

When I took over in summer 1991 the task of writing a computer program that simulates a combustion engine, I thought that I could do it in one coherent program.

But it became during the development of the program increasingly clear that even modern computers do not have the necessary disc space for that.

At the end the one scheduled program became nine separated programs that are interlinked. The amount of the required program code swelled to 1.5 megabytes. A mass that (almost) cannot be managed centrally no longer.

In this book the attempt is made to explain the various components of the program so that even an outsider can empathize with the problem. Therefore, the structure of the book is oriented according to the program.  The technique of structured programming allows a division of the problem into small subproblems.

The program consists of 9 modules, and each of these modules of several sub-programs. Each module forms a chapter in the book and in each chapter every subprogram forms a subchapter. The listings are distributed piece by piece to the subchapters. The modules are edited in a analogous order, the subprograms alphabetically. This seemed to be the most useful way, also with regard to a possible future modification of the program.

I would like to express my gratitude to all those without whose help this thesis could not have been realized (in alphabetical order):

Herrn W. Bockelmann, Fa. Adam Opel AG

Herrn Brömmel, Fa. Audi AG

Herrn Johnson, Fa. Porsche AG

Herrn Prof. Dr. W. Jordan, Fachhochschule Köln

Frau C. Jung

Frau Ch. Mouterde

Frau L. Petit

Herrn Prof. Dr. P. Schöndorf, Fachhochschule Köln

Hans - Gerd Schmitz

Task

Prof. Dr.-Ing. W. Jordan

Department of Automotive Engineering

Winter Semester 1991/92

Thesis for Mr. Hans-Gerd Schmitz, Matr No. 139 420

The future development of combustion engines will be determined mainly by the demands for minimal emissions and lower fuel consumption.

As a result within the CO2 debate and the probably caused greenhouse effect, the fuel consumption and the efficiency will be by far in the emphasis of development activities.

The efficiency of a gasoline engine and its efficiency can be influenced by a variety of parameters. E.g. an increase of the compression ratio beyond today's common values could lead to a significant increase in efficiency. This, however, is contrary to the still not fully understood phenomenon of knocking combustion in gasoline engines.

With regard to a better understanding of knocking, an attempt should be made in this work to determine the "suddenly" converted mixture and fuel mass when knocking.

To this end, the working process of the real engine, including gas exchange, combustion (using the Vibe function), heat transfer and polytropic compression and expansion shall be presented simplified by using a computational program. It should be possible to systematically investigate for example influences of the compression ratio, the burning time, the throttle, the rpm and the ignition timing on the Innenwirkungsgrad (inner efficiency).

Short Result

The aim of this thesis was to create a computer program to simulate a true gasoline engine. As a special case to calculate a knocking combustion should be included.

Both goals have been achieved.

1 Program was originally planned.

9 have become of it.

This software package takes up a space of about 1.5 megabytes and is housed on 5 pieces 5.25 inch floppy disks. In contrast to the more spartan equipped previous versions, the program offers the following options:

- Choice between gasoline and diesel engine

- Charging possible to simulate

- Adaptation to Hercules and VGA graphics systems available

- Print screen of all text and graphic screens

- Animated logo

- Selection from 14 built-in valve lift curves

- Input of additional valve lift curves possible during the program sequence with a few   keystrokes

- Printing of all input and output values possible, either fully or partially

- Presentation of 5 different graphs, developed from the calculated data

- Own routine to print graphs

Outlook

The program described in this monograph can be used for 2 purposes:

1) Basic research and investigations of the influences of various parameters on the engine process

2) Adjustment and projection-calculations of real engines

Should the program be used to point 1), then all parameters (input variables) are appropriate preset. Each of the entered values can be changed whichever (within limits) and saved permanently. Like this it is possible, if for example influences of the combustion air ratio lambda shall be investigated, to let all the other variables constant and vary only one. This mode of application is supported through the user-friendly menu structure.

When recalculating a real engine the largest problem is the determination of the various input data. Thus, the entire valve lift curve has to be adjusted. The data can exist as numerical values (or as a diagram). If this is not the case, they must be measured. The program provides for the input of valve lift curves an editor with cubic splines.

Of course, it is also possible to select in a first approximation a curve among the 14 available.

Some other parameters difficult to be measured are, for example, the flow-coefficient of the valve my or the polytropic exponent n.

For the simulation of knocking the knowledge of the combustion caracteristic m is condition. This can be determined by a method of [20] on real engines. For the beginning of knocking values which lie around 90% have proved to be real. Then the abrupt increase in pressure appears in the graphs as it is known from literature.

To adjust the load the suction pressure is changed. By values above atmospheric pressure charged (supercharged) engines can be simulated.

Turbocharger

The perfect simulation of a charge by a turbocharger, of course, does not need a pure control but a regulation, i.e. a loop should be put around the entire working cycle, which similar to the level setting of the steady state with the help of the SUB Genauigkeitstest (accuracy test) performs an additional iteration engine-turbocharger. Simulations of turbochargers are not common in practice. In general, a turbocharger is designed by trial and error. [40], however, have achieved in the field of computing loaders initial progress.

2-stroke

Gas Oscillations

Oszillations during engine knocking

Based on the approach of gas oscillations in the gas exchange devices, vibrations could also be taken into consideration during the power stroke. Their cause, however, would be the flame front which works like a piston. Perhaps it would be possible to quantify the from [20] manifested inequality delta p >= delta pk and to have a "fully automatic system" for the knocking. The then calculated graphs would - hopefully - not just capture the sudden increase in pressure, but also the subsequent pressure oscillations.

Runge-Kutta methods for integrating

The necessary integration during the gas exchange cycle is carried out with the "improved polygon path method". This is not the ultimate of all possible solutions. In future versions, a change to the Runge-Kutta integration method should be taken into consideration

Due to time constraints (only) 5 charts have been realized in the program. But it is quite conceivable to develop a number of further charts from the calculated data. For example, this could include:

Engine characteristic map

When using very fast computers an additional bonus imposes: The entire program presented here could serve as a single interval for creating an engine characteristic map.

Therefore an additional loop must be programed around the complete cycle that varies the speed. The resulting possibilities were almost limitless: Exhaust gas characteristics,  Fuel Consumption characteristics and performance graphs could be made. Parameters could be varied which no longer would be functions of the crankshaft angle. E.g. curves could be developped with lambda as independent variable.

When prescribing a mechanical efficiency, the way to a driving simulator would not be far.

The simultaneous expansion of the engine characteristic map and the turbocharger would indeed be associated with technical problems, but theoretically be feasible.

Multilingual programming

At the transition to a multi-lingual programming, the text passages would no more be programmed as PRINT commands, but as variable accessed data fields. For practical reasons, care should be taken to ensure that the translations are chosen in a way that an approximately equal number of letters preserves the layout of the screen. For languages that do not use the Latin alphabet, the transition to a graphics-only program that only works in graphics mode is advisable (the current program uses both text and graphics mode). The language might be chosen similar to the menu ‘Bildschirmwahl’ (screen selection) in this version.

Use of a mouse

Copyright

© 1992 Papierausgabe Hans-Gerd Schmitz

© 2009 Onlineausgabe Hans-Gerd Schmitz

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last update 29 december 2009

 Summary in English

Die einzelnen Kapitel

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