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1. A A SONDE i BERSTMEMBRAN e SCHWEBEK RPER MANOMETER KALIBRIERBEH LTER DURCHFLUSSMESSER i l 0 400 mbar KALIBRIERGAS i WASCHFLASCHE Eseneau cekaurr T WASSER Abbildung F 1 Aufbau der A Sonden Kalibriereinrichtung Zur Einstellung des Gasflusses ist zun chst das Ventil am Schwebek rper Durchfluss messer vollst ndig zu schlie en und das Drosselventil vollst ndig zu ffnen Nun wird das Ventil am Durchflussmesser vorsichtig ge ffnet bis sich ein Durchfluss von ca 30 cm s ein stellt Anschlie end wird das Drosselventil langsam geschlossen so dass sich der System druck erh ht der Durchfluss am Durchflussmesser sinkt unterdessen Durch gleichzeitiges weiteres ffnen des Durchflussmesserventils und langsames Schlie en des Drosselventils muss nun der Durchfluss auf ca 30 cm s und der System berdruck auf ca 100 mbar einge stellt werden Baut sich kein berdruck auf ist mit hoher Wahrscheinlichkeit die Berstmemb 205 Anhang F ran defekt und muss ersetzt werden s o Nach Einstellen der Anlage sollte noch ca 2 min gewartet werden bis mit der Einstellung des Meters gem des Ger tehandbuchs 88 begonnen wird um alle Verunreinigungen aus dem System zu sp len Ist das A Meter f r den ersten Messbereich abgeglichen wird der Gasfluss durch Schlie en des Durchfluss messerventils gestoppt und das Gas gewechselt Das weitere Vorgehen ist f r die beiden verbleibenden Referenzgase iden
2. HALTER Kleine Bohrungen in Zylinderkopf Abstandshalter mit relativ gro en Glasring und Kolbenfenster oder Zylinderkopfdichtung Fenstern Verl ngerter Kolben verl ngerte Kaum Einfluss auf das Einfluss auf Verdichtungsverh ltnis Laufbuchse bzw Spiegelgeh use Betriebsverhalten Feuersteg und thermische Deutlicher Einfluss auf Kleiner bis mittlerer optischer Eigenschaften des Brennraums Betriebsverhalten und max Drehzahl Zugang Gro e optische Zug nge m glich Sehr gro e optische Zug nge m glich Abbildung 3 2 Bauformen optischer Motoren notwendige Umbauten und Einfl sse auf das Betriebsverhalten Faseroptische Zug nge zum Brennraum k nnen in nahezu allen Bereichen des Brennraum dachs untergebracht werden da der Einbauplatzbedarf gering ist wodurch auch d nnwandi ge Bereiche des Zylinderkopfs z B W nde zwischen den K hlkan len genutzt werden k nnen Bevorzugte Einbauorte sind die Zylinderkopfdichtung 42 und modifizierte Z ndker zen 4 ber Glasfasern k nnen sowohl Strahlungssignale aus dem Brennraum aufgenom men werden Flammenstrahlung als auch ein Laser eingekoppelt werden z B Extinktions messungen s Tabelle 2 3 und Abschnitt 6 4 4 Allerdings k nnen r umliche Informationen nur beschr nkt ber tomografische Methoden gewonnen werden 43 Endoskopische Messtechniken erm glichen im Vergleich zu faseroptischen Zug ngen be reits einen wesentlich besseren optischen Zugang zum
3. Wastegate Niederdruck stufe Einstufige Aufladung Ladeluft k hler Ladeluft Z k hler Wastegate Kompressor Bypass Antrieb Mechanischer Kompressor t Turboaufladung mit mechanischem Kompressor Wastegate Kompressor Bypass Elektrischer Kompressor Turboaufladung mit elektrischem Kompressor Abbildung 2 9 Aufladekonzepte f r das Downsizing nach 17 Aus thermodynamischer Sicht ist der Abgasturbolader der mechanischen Aufladung vorzu ziehen da die zur Aufladung ben tigte Energie aus der Abgasenthalpie gewonnen und nicht dem Motor entzogen wird wodurch sich der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses weiter 27 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren steigern l sst Andererseits weist die mechanische Aufladung ein besseres Ansprechverhal ten bei Last nderungen auf da der Lader fest an die Drehzahl des Motors gekoppelt ist und somit schnell auf den erh hten Luftbedarf bei steigender Drehzahl reagieren kann Beim Turbolader hingegen muss bei einer Laststeigerung zun chst das Laufzeug beschleunigt werden wodurch es zu einer Verz gerung in der Leistungsabgabe des Motors kommt Da dieses Verhalten insbesondere bei Kraftfahrzeugen unvorteilhaft ist werden verschiedene Ma nahmen angewendet um einen schnelleren Druckaufbau zu gew hrleisten 5 So wird z B der Einlassquerschnitt der Turbine verkleinert um auch bei niedrigen Lasten Drehzahlen mit geringen Abgasmengen einen hohen
4. Selbstz ndender Betrieb Fremdgez ndeter Betrieb N N oO vI Zylinderdruck bar r u 1 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel Parameter Fremdgez ndeter Betrieb Selbstz ndbetrieb Drehzahl min 2000 Einlassspreizung KW 150 Auslassspreizung KW 0 160 Krafstoti PRFTO Einspritzmenge mg ES 18 48 10 29 Z ndzeitpunkt KW Selbstz ndung Luftverh ltnis A 1 15 Indizierter Mitteldruck Dmi bar 2 10 50 Umsatzpunkt KW Abbildung 6 10 Druckverl ufe und Betriebsparameter des fremdgez ndeten Betriebs und des Selbstz ndbetriebs mit endoskopischen Zug ngen 143 6 Messungen Hierbei wurden die zun chst durchgef hrten fremdgez ndeten OH Chemilumineszenz messungen mit dem Ziel durchgef hrt die Erprobung der Kameraeinstellungen vorzuneh men sowie die Fokussierung der Kamera auf die Brennraummitte zu berpr fen und die entstehenden Aufnahmen zu verwenden um grunds tzliche Unterschiede in der Flammen ausbreitung zwischen fremdgez ndeter Betriebsweise und HCCl Betrieb zu verdeutlichen Daher wurde f r diese Arbeiten ein Betriebspunkt verwendet von dem aus fr heren Versu chen ein stabiles Betriebsverhalten bekannt war der aber ansonsten aufgrund der fehlenden Zwischenkompression und weiterer Unterschiede bei den Betriebsparmetern nicht direkt mit dem HCCI Betriebspunkt vergleichbar ist F r den HCCI Betrieb wurden die im Laufe der in
5. en dienen zur Information des Bedieners bzw zu Protokollzwecken Hierzu geh ren der gemittelte Ansaugdruck sowie die Ansaug 86 5 2 Indiziersystem und Datenerfassung temperatur und der Luftdruck die Luftfeuchtigkeit sowie die Lufttemperatur in der Motoren kabine P BERUHIGUNGSFASS UNTERDRUCK _ ANSAUGLUFT STAT VENTIL N DRUCKREGELUNG gt m DREHKOLBEN Z HLER EINLASS VENTILHUB ANSAUGDRUCKREGELUNG HD EINSPRITZSIGNAL DICU RECHNER r Z NDSIGNAL TEMPERATURREGLER Pumsesuns WETTERSTATION m Pumsesuns Prurseisen use a 4 m En en naamal SU NmorrR 7 PUMA RECHNER Tansaus LUFT PANSAUGLUFT STAT m EEE GE GE m en an e en l l l ED ED ED ED ED ED ED a l an an an am am am am cl Abbildung 5 13 Vereinfachter Signallaufplan der Pr fstandsrechner Da am optischen Motor einige Komponenten aus Serienmotoren z B Einlassventilhubver stellung Drosselklappe verbaut sind deren Ansteuerung ber ein externes parametrierbares Steuerger t erfolgen muss ist auf einem Laptop INCA Rechner die Software INCA des Herstellers ETAS installiert Mit dieser Software k nnen im laufenden Betrieb die Sollwerte f r den Einlassventilhub sowie die Drosselklappenstellung an das parametrierbare Steuerger t weitergegeben und die Ist Werte der zugeh rigen Sensoren ausgelesen werden Die eigentliche Regelung erfo
6. s wieder in einen energetisch stabileren Zustand zur ckkehrt Wird hierbei ein Photon mit der Wellenl nge des eingestrahl ten Photons emittiert wird der Vorgang als Rayleigh Streuung bezeichnet Werden durch Wechselwirkung mit innerer Energie des Molek ls h here oder tiefere Energieniveaus als das vor der Anregung vorliegende Niveau erreicht handelt es sich um inelastische Stokes Raman bzw Antistokes Raman Streuung 53 Rotationsniveaus Virtuelles Niveau f Vibrationsiveaus ur T zu zu 3 5 mE Rayleigh Antistokes Raman Potentialenergie Anregung Stokes Raman Abbildung 4 3 Anregung Rayleigh und Raman Streuung im Energieniveauschema eines Molek ls 58 Bei der Mie Streuung benannt nach Gustav Mie der sie 1908 erstmals mathematisch be schrieb handelt es sich im Gegensatz zur Rayleigh Streuung um die Streuung von Licht an Partikeln deren Durchmesser etwa der Wellenl nge des eingestrahlten Lichts entspricht Ein 63 4 Optische Messtechniken wichtiger h ufig zur Unterscheidung des Anwendungsbereichs der Rayleigh bzw Mie Streuung verwendeter Parameter ist der dimensionslose Faktor x der das Verh ltnis des Partikeldurchmessers zur Wellenl nge beschreibt x I 4 4 Das Streuverhalten von Partikeln f r die 0 3 lt x lt 20 gilt kann gut mit der Mie Theorie be schrieben werden Kleinere Partikel x lt 0 3 werden mit Hilfe der Rayleigh Streuung be schrieben wohingegen auf g
7. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Abbildung 6 24 dargestellt STRAHLL NGE LICHTSCHNITT EINDRINGTIEFE 66 0 KW 2 3 bar Hemm 2 3 bar Ha GLASRING ENDOSKOP Abbildung 6 23 Vorgehen zur Bestimmung der Eindringtiefe Zun chst zeigt sich eine gute Ubereinstimmung der Messergebnisse mit Glasring und Endo skopen Die Abweichungen der Messergebnisse voneinander liegen immer unterhalb von einem Millimeter was f r die Messungen bei 2 1 bar maximal etwa 5 und bei 7 2 bar etwa 8 der maximalen Eindringtiefe entspricht Diese Unterschiede k nnen auf die Auswertung der Messungen zur ckzuf hren sein da insbesondere zu l ngeren Zeiten nach Einspritzbe ginn die Sprayspitze durch die fortschreitende Verdampfung und Verbreiterung des Sprays nicht mehr klar definierbar ist Daneben kann auch der Einsatz des Endoskoprings zu einer geringf gigen Ver nderung der thermischen Eigenschaften des Brennraumes und auch der Temperaturentwicklung im Verlauf der Kompression f hren Aufgrund seiner dickwandigen Ausf hrung aus Stahl ist anzunehmen dass eine h here W rmeabfuhr aus dem Brennraum erfolgt so dass die Ladung insgesamt k lter als beim Einsatz des Glasrings ist was durch geringere Verdampfung zu einer Erh hung der Eindringtiefe f hrt Hierf r spricht auch das beim Einsatz des Endoskoprings bei ansonsten unver nderten Parametern allgemein unru higere Betriebsverhalten des Motors und der im geschleppten Betrieb um etwa 0 4 bar
8. bergang zur klopfen den Verbrennung 14 Einige Konzepte bedienen sich einer zus tzlichen Einspritzung eines Teils des Kraftstoffs in die Zwischenkompression Hierdurch bilden sich bereits in der Zwi schenkompression in der ersten Z ndstufe Radikale die jedoch aufgrund des unzureichen den Druck und Temperaturniveaus in der Zwischenkompression nicht vollst ndig reagieren sondern sich durch die Expansion das Ansaugen von Frischluft und die anschlie ende Kompression mit dem Zylinderinhalt vermischen In der Hauptkompression beeinflussen die se Spezies nun die chemische Kinetik so dass eine Beschleunigung der Gesamtreaktion Steigerung der Z ndwilligkeit stattfindet wodurch der Selbstz ndzeitpunkt besser gesteuert und au erdem die Stabilit t der Verbrennung verbessert werden k nnen 13 15 Die genau en Wirkungsmechanismen in der Zwischenkompression sind noch nicht vollst ndig bekannt Ihre Untersuchung ist auch Teil der vorliegenden Arbeit Auch f r die Untersuchung von Brennverfahren mit Selbstz ndung k nnen optische Diagno severfahren vielf ltig eingesetzt werden wobei aufgrund der hohen Abgasanteile und der besonderen Rolle der Homogenit t der Mischung f r den Reaktionsablauf insbesondere Ver fahren von Interesse sind mit deren Hilfe die Durchmischung von Luft Restgas und Kraft stoff beurteilt werden kann In diesem Zusammenhang ist auch die Untersuchung des Sprayverhaltens von hohem Interesse da dieses zu einem gro
9. mung installiert s Abschnitt 5 5 5 sowie die Menge des zur ckgehaltenen Abgases noch mals durch Erh hung der Zwischenkompression vergr ert indem die Einlassspreizung auf 150 KW und die Auslassspreizung auf 160 KW erh ht wurde Auch wurde der Einspritzzeit punkt auf 320 KW verlegt um durch die fr here Einspritzung eine weiter verbesserte Homogenisierung auch durch Ausnutzung der starken Turbulenz w hrend des Einstr mvor gangs zu erzielen Au erdem kann durch die Einspritzung in der Ansaugphase die ange saugte Luftmenge erh ht und so der Liefergrad verbessert werden da durch die Verdamp fung des Kraftstoffs Druck und Temperatur im Brennraum sinken wodurch sich das Druck gef lle an den Einlassventilen erh ht und so letztendlich eine h here Luftmenge angesaugt wird 3 93 Durch diese Ma nahmen konnte ein reiner Selbstz ndbetrieb realisiert werden Um diesen anzufahren musste der Motor wie in den vorhergehenden Versuchsreihen zun chst mit Z ndfunkenunterst tzung erh hter Luftmenge und erh hter Kraftstoffmenge betrieben wer den um eine stabile Verbrennung zu erzielen Anschlie end konnte der Fremd 129 6 Messungen Z ndzeitpunkt innerhalb von ca 5 min nach sp t verlagert werden wobei klopfende Ver brennung durch gleichzeitige kontinuierliche Verringerung der Kraftstoff und Luftmenge verhindert werden musste bis der Motor schlie lich in den Selbstz ndbetrieb berging Die ser war dadurch charakt
10. w hlt dass eine zuverl ssige Auswertung erm glicht gleichzeitig aber auch ein berm i ger Niederschlag von DEHS auf den Glasbauteilen und die damit einhergehende Beeintr ch tigung der Messungen verhindert wurde Der Messbereich erstreckte sich von 300 KW bis 50 KW und war in 5 KW Schritte aufgeteilt Die r umliche Aufl sung betrug etwa 1 1 mm sind in Abbildung 6 27 gezeigt Mittelwerte Einige der so ermittelten Str mungsfelder Z ndkerze Auslassventil Einlassventil Caa P E a En nn ss E 5 E E 20 KW v ZOT phase 2 m str n KW v ZOT 260 se Einstr mpha a un a u u a KLEE nm I PAAA a a e ne er EEE TE TE nn 0 a a a ee En un nn a a i S D Da ini ss H O N gt oO ie u U U P aN m oO u 7 o D x Kompressionsphase 120 KW v ZOT Abbildung 6 27 Mit Hilfe von PIV Messungen gewonnene gemittelte Str mungsfelder im Brennraum des optischen Motors 99 Aus den Ergebnissen wird deutlich dass w hrend des Einstr mens hervorgerufen durch den Spalt zwischen Ventil und Ventilsitz zun chst sehr hohe Str mungsgeschwindigkeiten vorliegen wodurch es zum Teil zu einer Abscheidung der Tr pfchen auf den Brennraum w nden kommt da diese aufgrund ihrer Tr gheit der Str mung bei scharfer Umlenkung an der Wand nicht mehr folgen k nnen Im weiteren Verlauf f llt die Geschwindigkeit immer
11. weiter ab und der anf nglich dominierende Einfluss der Einstr mung auf die Ladungsbewe gung wird immer mehr durch den Wandeinfluss und den Einfluss des sich bewegenden Kol 164 6 4 Weitere Messungen mit verschiedenen Techniken bens abgel st Insgesamt konnten w hrend der Messung weite Teile der Ansaug und Ver dichtungsphase durch Messungen abgedeckt werden allerdings nur bis zu dem Zeitpunkt an dem durch den verdichtungsbedingten Temperaturanstieg das Verdampfen der Tr pfchen keine sinnvolle Messung mehr zul sst Daher soll in zuk nftigen Messungen auch die M g lichkeit des Einsatzes von Feststoffpartikeln untersucht werden 99 6 4 4 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy TDLAS Zur Quantifizierung des unvermeidbaren Restgasanteils nach dem Ladungswechsel oder des absichtlich zugemischten Anteils durch AGR wurden am optischen Motor Messungen mit Hilfe der Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy TDLAS vorgenommen Zur Mes sung wird hierbei die Emissionswellenl nge des verwendeten Lasers durch schnelles abfah ren einer Rampe des Betriebsstroms moduliert und so die wellenl ngenabh ngige Absorpti on im Probenvolumen Brennraum bestimmt Durch Anfitten einer Modellfunktion an die Messergebnisse kann anschlie end die Volumenkonzentration des Absorbermolek ls be stimmt werden Vorteilhaft hierbei ist dass mit Ausnahme der Charakterisierung der verwen deten Laserdiode keine Kalibration des Messsystems erforder
12. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Ansteuerdauer ms Abbildung 5 23 Abh ngigkeit des Einspritzvolumens von der Ansteuerdauer f r die Saugrohreinspritzd se 104 5 5 Ansaugsystem 5 5 Ansaugsystem Das Ansaugsystem des optischen Motors besteht aus einer Reihe von Einrichtungen zur Regelung und Messung der Ansaugbedingungen Hierzu geh ren die Regelung des An saugdrucks die Bestimmung der Ansaugluftmenge die Vorheizung der Luft und die Steue rung der Ansaugmenge Die zu diesem Zweck eingesetzten Komponenten werden in den folgenden Abschnitten beschrieben 9 9 1 Ansaugdruckkontrolle Um den Motor unabh ngig von den variierenden Umgebungsbedingungen immer mit einem konstanten Ansaugdruck versorgen zu k nnen und so reproduzierbare Messbedingungen zu schaffen wird der Ansaugdruck auf ein konstantes absolutes Druckniveau in allen vorge stellten Versuchen wurden 1050 mbar verwendet oberhalb des normalerweise vorherr schenden Luftdrucks geregelt Hierzu wird die Luft durch einen Seitenkanalverdichter Typ GUT 40 HS verdichtet und gelangt anschlie end zum Druckregelventil Der Seitenkanalver dichter erm glicht einen maximalen berdruck von 200 mbar gegen ber dem Umgebungs druck bei einem Volumenstrom von 25 m h Hiermit kann der Motor mindestens bis 1500 min mit einem idealen Liefergrad von 1 betrieben werden F r den im Rahmen aller in dieser Arbeit vorgestellten Versuche verwendeten Ansaugdruck von 1050 mbar b
13. 22 3 mg ES dargestellt Die Abbildung zeigt die Abgaskonzentration der un verbrannten Kohlenwasserstoffe HC in Abh ngigkeit der Zeit nach der ersten Einspritzung f r verschiedene Einspritzzeitpunkte im Bereich von 320 KW bis 240 KW Hierbei wurden jeweils 100 Einspritzungen bzw gefeuerte Zyklen vorgenommen und der Nullpunkt der Zeit achse auf den Beginn des ersten gefeuerten Zyklus bezogen Diese Zuordnung erfolgte im Anschluss an die Versuche da die mit Hilfe der langsamen Datenerfassung aufgenomme nen Messwerte nicht automatisch mit den Messwerten der schnellen Zylinderdruckmessung synchronisiert werden k nnen s auch Abschnitt 5 2 2 Weitere Details zu den Einstellwer ten des Motors und den Betriebsparametern der Versuche finden sich in Tabelle F 1 9000 Einspritzung 320 KW Einspritzung 310 KW Einspritzung 300 KW Einspritzung 290 KW Einspritzung 280 KW Einspritzung 270 KW Einspritzung 260 KW Einspritzung 250 KW Einspritzung 240 KW 8000 7000 6000 5000 HC ppm 4000 3000 2000 1000 0 3500 4500 5500 6500 7500 8500 9500 10500 11500 12500 13500 14500 15500 Zeit ms Abbildung 5 32 Signalverlauf der Kohlenwasserstoff Abgasmessungen Abbildung 5 32 zeigt hierbei zun chst dass nach der ersten Z ndung eine durch den Trans port des Abgases vom Motor zum Abgasmessschrank verursachte Totzeit von etwa 4 s vor liegt bis ein Anstieg des Signals
14. Aufgrund der zum Zeitpunkt der Messungen noch erforderlichen Ab stimmung der Motordrehzahl auf die optimale Triggerfrequenz des Nd YAG Lasers s Ab schnitt 6 1 2 wurde der Motor mit einer Drehzahl von 1200 min betrieben Als Kraftstoff kam PRF7O zum Einsatz wobei die Einspritzung in eine Haupteinspritzung bei 240 KW 16 mg ES und eine Voreinspritzung bei 420 KW 5 5 mg ES aufgeteilt wurde Das Luft verh ltnis betrug A 1 5 gemessen mit der A Sonde Abbildung 6 5 zeigt einen gemittelten Druckverlauf dieses Betriebspunktes sowie die verwendeten Einspritzzeitpunkte und den Z ndzeitpunkt Voreinspritzung Haupteinspritzung Z ndzeitpunkt 30 25 Zylinderdruck bar u N un oO m 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel Drehzahl Einlassspreizung Auslassspreizung Kraftstoff min EATI KW Voreinspritzung Haupteinspritzung Zeitpunkt Einspritzmenge Zeitpunkt Einspritzmenge KW mg ES KW mg ES KW Abbildung 6 5 Gemittelter Druckverlauf mit Zeitpunkten von Einspritzungen und Z ndung und die wichtigsten Betriebsparameter der CH O Visualisierung mit horizontalem Lichtschnitt 135 6 Messungen Eine detaillierte Betrachtung der Flammenstruktur wird durch die Untersuchung von Einzel bildern der CH gt O Fluoreszenz wie in Abbildung 6 6 gezeigt erm glicht Auf diesen Aufnah men sind die bereits von der Verbrennung erfassten Bereiche des Brennraumes
15. C Jelitto Numerische Auslegung eines neuen Brennverfahrens f r Benzin Direkteinspritzung Dissertation Otto von Guericke Universit t Magdeburg 2004 K Mollenhauer H Tsch ke Handbuch Dieselmotoren 3 Auflage Springer Berlin Heidelberg New York 2007 P F Flynn R P Durrett G L Hunter A O z Loye O C Akinyemi J E Dec C K Westbrook Diesel Combustion An Integrated View Combining Laser Diagnostics Chemical Kinetics and Empirical Validation SAE Technical Paper 1999 01 0509 1999 R G Nieberding Die Kompressionsz ndung magerer Gemische als motorisches Brennverfahren Dissertation Universit t Siegen 2001 M Yao Z Zheng H Liu Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition HCCI engines Progress in Energy and Combustion Science 35 398 437 2009 W H bner U Gerke K Boulouchos N Peters C Schulz U Spicher Influence of pilot injection on controlled auto ignition combustion A theoretical and experimental study SIA Articles techniques Strassbourg 2009 R Pischinger M Kell T Sams Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine 3 Auflage Springer Wien New York 2009 V Korte N Fraser J Taylor R Dingelstadt Effizientes Downsizing f r zuk nftige Ottomotoren Motortechnische Zeitschrift MTZ 05 2011 386 393 2011 P Hofmann Hybridfahrzeuge 1 Auflage Springer Wien New York 2010 K Reif Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe 1 Auflag
16. Die Versuche erfolgten sowohl im geschleppten als auch im gefeuerten Betrieb Ergebnisse sind wie in Abbildung 6 25 ge zeigt Temperaturverteilungen eines Teils der Ventiloberfl che zu verschiedenen Zeitpunkten des Zyklus sowie daraus abgeleitete Temperaturverl ufe ber den gesamten Zyklus in ein zelnen Bereichen Durch die geschilderten Untersuchungen konnte die Eignung der verwen deten Phosphor Bindemittel Kombination unter Beweis gestellt werden so dass diese inzwi schen auch f r weitere Messungen an anderen Versuchstr gern angewendet werden konnte 96 161 6 Messungen Temperature K Temperature K 620 7 RER g H taaga g 600 H P ylinder Zu cE R p w u w 2 2 S F f E a Q E E 560 p S PE ee l N 407 i A 4 l l l l n i i H 2 me y IN 350 gt 0 520 i i i 360 270 180 90 0 90 180 270 360 36 270 180 90 0 90 180 270 360 IO EC IC EO IO EC IC EO Crank angle Crankangle Geschleppt Gefeuert Abbildung 6 25 Ergebnisse der thermophosphorischen Messungen am Auslassventil f r geschleppten und gefeuerten Betrieb 96 6 4 2 Toluol LIF Messungen der thermischen Inhomogenit t im Brennraum Der Reaktionsbeginn ist bei HCCI Brennverfahren u A von der Temperaturhomogenit t der Mischung abh ngig da die lokale Temperatur die Selbstz ndneigung beeinflusst s auch Kapitel 2
17. Ist dies nicht der Fall entstehen im Verlauf der Verbrennung durch unvollst ndige Oxidation unverbrannte Kohlen wasserstoffe HC sowie Kohlenstoffmonoxid CO Dieses Verhalten ist in Abbildung 2 5 anhand der mit niedrigerem Luftverh ltnis zunehmenden Mengen an HC und CO erkennbar Im Diagramm ist f r die unverbrannten Kohlenwasserstoffe des Weiteren eine erneute Zu nahme nach Durchlaufen eines Minimums bei geringem Luft berschuss zu erkennen Die Tatsache dass sich das Minimum der HC Emissionen erst bei geringem Luft berschuss 11 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren einstellt ist darin begr ndet dass sich eine perfekte Homogenisierung der Mischung tech nisch nicht realisieren l sst so dass bei A 1 immer noch Mischungsbereiche existieren in denen eine leicht ber oder unterst chiometrische Mischung vorliegt die zu unvollst ndiger Oxidation der Kohlenwasserstoffe f hren Daher werden Ottomotoren in der Regel mit einem Luftverh ltnis leicht oberhalb von A 1 betrieben Bei Volllast kann es jedoch erforderlich sein zur K hlung der Bauteile durch Ausnutzung der Verdampfungsw rme auch geringere Werte f r zu verwenden so dass Zeitweise auch ein Betrieb bei bis zu A 0 7 auftreten kann Bei weiter steigendem Luftverh ltnis nimmt die Gastemperatur immer mehr ab so dass es zum Verl schen der Verbrennung kommen kann wodurch auch in diesem Fall zu nehmende HC Emissionen zu beobachten sind F r CO ist diese
18. OH und CH Radikale haupts chlich in der Flammenfront so dass ihr Emissions signal aufgenommen mit einem entsprechenden Filter zur Vermessung der Flammenaus breitung genutzt werden kann 28 29 Treten in der Flamme bzw dem Gemisch lokal fette Bereiche auf z B Schichtladung oder Dieselflammen so kommt es zur Bildung von Ru dessen thermische Lichtemission ebenfalls zur Visualisierung und Beurteilung der Verbren nung herangezogen werden kann 3 30 Zu beachten ist bei der Detektion der Flammen oder Ru emission jedoch immer dass stets ein r umlich tiefenintegriertes Signal aufge nommen wird da auch Emissionsquellen vor und hinter der Sch rfenebene der Beobach tungsoptik zum Gesamtsignal beitragen Bei Dieselflammen mit einer geringen Transparenz wird so haupts chlich die Flammenoberfl che abgebildet wohingegen bei relativ transparen ten vorgemischten Flammen in Ottomotoren auch die r ckw rtige Flammenfront sowie das Innere der Flamme zum Gesamisignal beitragen Eine eindeutige Zuordnung der Informatio nen sowie quantitative Messungen werden hierdurch erschwert oder sogar unm glich ge macht 30 Dies stellt einen Nachteil gegen ber den im n chsten Abschnitt vorgestellten Lichtschnittverfahren dar Von Vorteil hingegen ist die verh ltnism ig einfache Umsetzung von solchen passiven Verfahren da bei ihnen nur ein einziger Zugang zum Motor n tig ist der zudem in den meisten F llen auch sehr klein ausgef hrt werden
19. S auch Abschnitt 2 1 zu beobachten waren Ausgehend von diesen ersten Zeichen einer einsetzenden Selbstz ndung neben der noch aktiven unterst tzenden Fremdz ndung wurde versucht durch Verlagerung des Z nd zeitpunktes zu sp teren KW sowie Abmagerung des Gemisches durch verringern der Ein spritzmenge den Verbrennungsschwerpunkt im Bereich von 7 bis 10 KW zu stabilisieren Dies gelang jedoch nicht da entweder aufgrund der Abmagerung die Anzahl von Z ndaus setzern stark zunahm und so letztendlich zum Verl schen der Verbrennung f hrte oder mit zunehmender Verlagerung des Fremdz ndzeitpunktes zu sp ten KW ebenfalls Z ndaus setzer auftraten und keine Verbrennung mehr m glich war Hierbei reichte in den meisten F llen bereits eine Fehlz ndung aus um die Verbrennung zum Erliegen zu bringen In eini gen F llen kam es auch zu erneuten extremen Verbrennungen im auf den Z ndaussetzer folgenden Zyklus aufgrund der bereits f r den Startvorgang beschriebenen Ph nomene al lerdings ohne dass sich die Verbrennung in den darauffolgenden Zyklen wieder stabilisierte Zwar konnte mit Hilfe einer Erh hung der Zwischenkompression durch schrittweises Vergr Bern der Einlassspreizung auf 140 KW und der Auslassspreizung auf 170 KW diesem Ver halten noch etwas entgegengewirkt werden jedoch war ein reiner Selbstz ndbetrieb d h Betrieb ohne Z ndfunkenunterst tzung nicht m glich Als weiteres Problem zeigte sich ne ben der Instabilit t
20. VERBRENNEN el I I I l l 40 4 i I L8 l Zylinderdruck ohne Ventilunterschneidung Fremdz ndung i l Zylinderdruck mit Ventilunterschneidung Selbstz ndung l l 35 41 Einlassventilhub ohne Ventilunterschneidung Fremdz ndung I r 7 Auslassventilhub ohne Ventilunterschneidung Fremdz ndung n 30 1 Einlassventilhub mit Ventilunterschneidung Selbstz ndung l T l 6 ra Auslassventilhub mit Ventilunterschneidung Selbstz ndung i i l 25 I m Hi 5E x H HERE i H HERE i 1 E i AUSLASS i EINLASS r l a E 20 4 SPREIZUNG SPREIZUNG i L45 5 l l l l d l f am l l l l i y 0 Eo 15 l h l 1 A 3 g I 4 IN SERIE ai l l X l 4 pl i l l a 10 Oi l r E i 2 l l l I l i BER l i J il l I gt j l 1 l NG p 1 o 0 ee E gt ma EB 0 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel KW Abbildung 2 4 Zylinderdruckverl ufe und Ventilerhebungskurven beim Viertakt Prozess am Beispiel eines fremdgez ndeten Betriebspunktes ohne Ventilunterschneidung ohne Zwi schenkompression durchgezogene Linien sowie eines selbstz ndenden Betriebspunktes mit Ventilunterschneidung mit Zwischenkompression gestrichelte Linien Zus tzlich zu den bereits beschriebenen bei beiden Motorarten gleichen Verlusten entste hen beim Ottomotor im Teillastbereich noch weitere Verluste durch die Androsselung der Ansaugluft da die Leistungsregelu
21. Zusammenfassung Verbrennungsmotoren leisten im allt glichen Leben unsch tzbare Dienste und sind ein Ga rant f r zuverl ssigen Waren und Personentransport Durch die zu ihrem Betrieb verwende ten meist fossilen Brennstoffe werden jedoch Emissionen des klimasch digenden Gases Kohlendioxid freigesetzt Au erdem werden im Verlauf der Verbrennung weitere gasf rmige Substanzen wie Stickoxide Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe gebildet die sowohl die Umwelt als auch den Menschen sch digen Daher besteht eines der vorran gigen Ziele bei der Entwicklung moderner Motoren in der Verringerung des Verbrauchs und in der Realisierung m glichst schadstoffarmer Brennverfahren Der im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute in Betrieb genommene und charakterisierte Einzy linder Viertaktmotor kann durch seine vielf ltigen optischen Zug nge sowie seinen flexiblen Aufbau zur Entwicklung effizienter und schadstoffarmer Brennverfahren eingesetzt werden Er verf gt sowohl ber einen ringf rmigen optischen Zugang zum Brennraum als auch ber ein Kolbenfenster wodurch insgesamt der gr te Teil des Brennraumes f r optische Unter suchungen zug nglich wird Durch zus tzliche endoskopische Zug nge k nnen neue endo skopische Messtechniken erprobt und mit den gro fl chigen optischen Zug ngen unter glei chen Randbedingungen verglichen werden Vielseitige Einstellm glichkeiten und verschie dene Kraftstoffeinspritzsysteme erm glichen die Na
22. Zylinderdruck ohne Ventilunterschneidung Fremdz ndung Zylinderdruck mit Ventilunterschneidung Selbstz ndung 35 1 Einlassventilhub ohne Ventilunterschneidung Fremdz ndung I r 7 l l l i Auslassventilhub ohne Ventilunterschneidung Fremdz ndung N s i 30 Einlassventilhub mit Ventilunterschneidung Selbstz ndung l T l 6 Auslassventilhub mit Ventilunterschneidung Selbstz ndung i i i i Li i 25 d l l L5 T H HERE H HERE it 5 i AUSLASS i EINLASS j y F 5 20 SPREIZUNG SPREIZUNG l j 4 2 y l N I oa 5 Q 15 4 i h O 133 7 l AN hA l i dl l ila la l i pi i l I i A 10 i E l i 2 l I l I 3 l i y l i aA u i J il l I I i i S L I 2 T um N pT t i l l Sn BT l ID I I i k l ann 0 E en a I 0 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel KW Abbildung B 2 Beispielhafte Druckverl ufe eines fremdgez ndeten sowie eines HCCI Betriebspunktes mit zugeh rigen Ventilerhebungskurven 186 Anhang B Zur eigentlichen Einstellung der gew nschten Einlass und Auslassspreizungen wird zu n chst die Kurbelwelle auf die gew nschte Einlassspreizung eingestellt und dort fixiert An schlie end wird der Zahnriemen zun chst nur locker wieder aufgelegt die Schrauben zur Befestigung der Zahnriemenscheibe gelockert und sodann der Zahnriemen gespannt An schlie end ist die Zahnriemenscheibe durch anziehen der Schraub
23. lichst hohe Aufnahmefrequenz der Kamera erreicht wird Diese liegt zwar unterhalb der Auf nahmefrequenz die bei einer Synchronisation der Motordrehzahl 1200 min mit der f r den Laser optimalen Triggerfrequenz von 10 Hz zu erreichen ist erm glicht im Gegenzug jedoch eine wesentlich freiere Wahl der Betriebsparameter 144 6 2 Messungen in der Vorz ndung Z NDKERZE EINSPRITZD SE AUSLASSVENTIL EINLASSVENTIL p BEOBACHTUNGSENDOSKOP BELEUCHTUNGSENDOSKOP Abbildung 6 11 Anordnung der Endoskope zur Einkopplung des Lichtschnitts und Auskopp lung des Streulichtsignals f r die endoskopischen Untersuchungen im HCCI Betrieb F r alle Messungen erfolgte zur Nachbearbeitung der Ergebnisse zun chst die Aufnahme von 25 Bildern an jeder sp ter vermessenen Kurbelwinkelposition zur Ermittlung des Hinter grundsignals F r die Aufnahmen der OH Chemilumineszenz erfolgte dies ohne Einsprit zung und f r die CH gt O LIF ohne Einspritzung aber mit eingeschaltetem Laser um eventuelle Streulichteinfl sse auszuschlie en Die Bilder wurden anschlie end gemittelt und von den Bildern der eigentlichen Messung bestehend aus 50 Einzelaufnahmen abgezogen In allen F llen wurden die Einstellungen von Kamera Bildverst rker und Laser nicht ver ndert um die Vergleichbarkeit der Aufnahmen untereinander zu gew hrleisten Zur Korrektur von durch den Einsatz des Beobachtungsendoskops verursachten Bildverzerrungen wurde ein Kreuzraster aufgenomm
24. sein Weiterhin bedanken m chte ich mich bei den Kolleginnen und Kollegen Christopher Gessenhardt Benjamin Tribalet Christian Meffert Daniel Greszik Martin Schild Martin Leschowski My Yen Luong Axel Hoffmann Frank Zimmermann Burkhard Lewerich Philipp Barth Martin Gosch tz Hans Orthner Hartmut Wiggers Thomas Dreier Ralf Starke Ingo Pl mel Sonja Hartner Markus R der Sebastian Wiemann und Benjamin Witzel sowie Barbara Graf und Barbara Nota die mich durch fachlichen Rat tatkr ftige Mitarbeit bei zahlreichen Experimenten organisatorische Hilfestellung oder in anderer Hinsicht unterst tzt und so zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben Nicht zuletzt m chte ich mich auch bei den Studenten Jan Menser Nils Nouvertne Rico Thelen Pascal Thelen Frederik Lehmann Bernd Barra Kari Holve Andreas Windel Frank Musilak Marko Barthel Florian Steiner Abhishek Kushwaha Andrew Friedman Ricardo Avila und Sean Zeek bedanken die durch Studien und Diplomarbeiten oder ihre T tigkeiten als studentische Hilfskr fte einen unverzichtbaren Beitrag geleistet haben Meiner Familie und meinen Freunden m chte ich abschlie end f r ihre geduldige und verst ndnisvolle Begleitung sowie ihre mentale Unterst tzung im Verlauf der Arbeit danken DU Bochum im Januar 2014 Und aus dem Chaos sprach eine Stimme zu mir L chle und sei froh es k nnte schlimmer kommen Und ich lachte und war froh denn es kam schlimmer Otto Waalkes
25. x A 10 im Se a 2 ir h a 5 A S K7 gt af aT A m Glasring 2 10 bar p 1 52 kg m Glasring 7 20 bar p 3 93 kg m 4 Glasring 17 5 bar p 7 86 kg m a Glasring p 2 30 kg m interpoliert Glasring p 3 10 kg m interpoliert Glasring p 4 90 kg m interpoliert 0 03 0 13 0 23 0 33 0 43 Zeit t nach Einspritzbeginn ms Abbildung D 6 Gemessene und interpolierte Eindringtiefenverl ufe 198 Anhang D Tabelle D 4 Polynom und Polynomkoeffizienten zur rechnerischen Absch tzung der Ein dringtiefe T in Abh ngigkeit der Gasdichte p und der Zeit t nach Einspritzbeginn Polynomformat T Xp Yp Z mm X At Bt Ct D mm ms Y Et Ft Gt H mm ms Z It Jt Kt L mm Wert 26 0467 17 5865 2 0792 0 0630 298 4178 202 8642 22 3 01 1 0340 758 1163 450 2778 0 3182 3 420 Zeitbereich oO D Be N D aj t 0 04 0 42 ms Oooo DT OB TBB OC 1 2 Be Ze 1 gt OE 7 1 e OB o B OBO M Odo TMB OS TB OK oo R DE SE HE Hinweis unbedingt alle Nachkommastellen zur Berechnung verwenden 199 Anhang E Betriebsgrenzen des Ansaugsystems Bedingt durch die Kennlinie maximaler Ansaugsystemdruck in Abbildung E 1 des zur F r derung der Ansaugluft verwendeten Seitenkanalverdichters wird der maximal nutzbare An saugsystem berdruck begrenzt In Abbildung E 1 sind daher die bei einer bestimmten Dreh zahl unter Anna
26. Ansaug und Abgasdruck aufgrund ihrer hohen nderungsgeschwindigkeit mit sehr hoher Frequenz erfasst werden wohingegen sich die Betriebsmitteltemperaturen nur verh ltnis m ig langsam ver ndern und dementsprechend seltener abgetastet werden m ssen Die Signalleitungen sollten bersichtlich und zug nglich verlegt werden um auftretende Fehler leicht lokalisieren und die Signale im Bedarfsfall schnell abgreifen zu k nnen Die Erfassung erfolgt zweckm igerweise auf einem zentralen Messrechner um die synchrone Erfassung der Messwerte sicherzustellen Der Aufbau des Motors sowie aller notwendigen Komponenten muss so erfolgen dass der Motor m glichst gut zug nglich f r optische Messungen ist Zur Montage der optischen Komponenten des Lasers und der Kamera k nnen sinnvollerweise optische Platten und ein flexibel erweiterbares Gestell bzw Schienensystem verwendet werden um Anpassungen an sich ndernde Messaufgaben zu erm glichen In jedem Fall m ssen optische Aufbauten und der Motor mechanisch voneinander entkoppelt sein um die bertragung von Schwingungen des Motors auf die Optik zu vermeiden da hierdurch die Qualit t der Messergebnisse beein tr chtigt wird und insbesondere Kameras und Laser gesch digt werden k nnen In diesem Zusammenhang empfiehlt sich auch die Lagerung des Motors und seines Antriebs auf Fe der D mpfer Systemen und wenn m glich auf einem separaten Fundament 3 3 Beispiele ausgef hrter optischer Motor
27. Aufbau der Optik angeschafft oder selbst gefertigt werden sollten von Beginn an ein einheitliches Rasterma und eine einheitliche Schraubengr e zur Befestigung vorgesehen werden um den Bau von Anpassungsadaptern m glichst gering zu halten und eine gute Austauschbarkeit von Kom ponenten zu erm glichen Die elektrische Versorgung 230 V des Pr fstands sollte ber zwei unabh ngig voneinan der mit Not Aus Schaltern abgesicherte Versorgungsnetze erfolgen An eine dieser Versor 169 6 Messungen gungen sollten alle Ger te angeschlossen werden die z B bei einem Not Stopp des Motors z B aufgrund eines Glasbruchs bei Weiterbetrieb zu einer potentiellen Gef hrdung der Be nutzer sowie des Pr fstands f hren k nnen oder aber selbst Schaden nehmen w rden Hierzu geh ren z B Laser Gebl se Gasversorgungen oder auch eine elektrische Luftvor w rmung Ger te hingegen die keine unmittelbaren Gefahren hervorrufen k nnen oder eventuell bei einem pl tzlichen Stromausfall Schaden nehmen k nnten wie z B Kameras Messger te und Computer sollten erst in einer zweiten Stufe abgeschaltet werden um wei tere unn tige Sch den oder Datenverlust m glichst zu vermeiden F r beide Systeme sollte eine ausreichende und gut verteilte Anzahl von Steckdosen vorgesehen werden um das Sys tem hierdurch sicherer sowie leichter berschaubar zu halten Des Weiteren hat sich der Aufbau eines zus tzlichen Niederspannungsnetzes mit 12 V Gleichs
28. BOHRUNG F R ZYLINDERDRUCKAUFNEHMER AUSLASSVENTIL Abbildung 5 5 Verlauf der Ansaug und Abgaskan le im Zylinderkopfs und Ansicht des Brennraumdachs 36 70 Die Kontur des Brennraumdachs wie auch der Aufbau der K hlwasser und Gaskan le wur de mit geringen Ver nderungen optische Zug nge Piezo Druckaufnehmer von einem Se rienmotor der Marke BMW bernommen um die Versuchsbedingungen den Verh ltnissen eines realen Motors aktueller Bauart m glichst gut anzupassen Um einen m glichst voll st ndigen optischen Zugang zum Brennraum zu erzielen wurde die Form des Glasrings s Abschnitt 5 1 4 der Form des Brennraums mit Hilfe einer wellenf rmigen Kontur angepasst Zur Schaffung einer Dichtfl che f r den Zylinderring ist das Brennraumdach mit einer Nut umgeben auf deren Grund die im Zylinderring befestigten O Ringe abdichten Au erdem wird durch diese Bauform die Beobachtung des Brennraums bis zum Brennraumdach er m glicht da die auf den Quarzglasring aufgebrachten metallischen Dichtungstr ger in die Nut im Zylinderkopf eintauchen Die mechanische Anbindung des Zylinderkopfes an den Rumpfmotor erfolgt ber vier Befestigungsbolzen die gleichzeitig als F hrung f r die hydrau lische Andr ckplatte s Abbildung 5 3 und Abschnitt 5 1 3 des Kolbenrings dienen 75 5 Versuchsanlage Die Befestigung des Nockenwellengeh uses am Zylinderkopf wird durch vier Zylinderkopf schrauben sowie acht M6 Schrauben gew hrleistet wobei di
29. Brennraum ohne die Volllastf higkeit 3 1 Bauformen optischer Motoren des Motors einzuschr nken Allerdings erfordern sie bereits gr ere Zug nge zum Brenn raum und lassen sich nicht in jedem Fall problemlos in Zylinderk pfen von Serienmotoren unterbringen da die erforderlichen Bohrungsdurchmesser f r das Endoskop und die erfor derlichen Brennraumfenster Schutz des eigentlichen Endoskops in den meisten F llen ein Anschneiden der K hlkan le oder anderer Strukturen des Zylinderkopfes erforderlich ma chen und auch die nutzbaren Bereiche des Zylinderkopfes einschr nken da weder Ventilsit ze noch Einspritzd sen oder Z ndkerzenbohrungen angeschnitten werden d rfen 44 Ein wichtiges Ziel der Endoskopentwicklung besteht daher in der Verkleinerung der Endoskope bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer optischen F higkeiten Zwar sind durch endoskopische Zug nge in der Vergangenheit bereits bildgebende Verfahren eingesetzt worden jedoch zumeist nur f r relativ einfach umzusetzende Messtechniken wie z B Chemilumineszenz messungen Da jedoch nahezu alle Verfahren die mit gro fl chigen Zug ngen angewendet werden LIF PIV etc auch mit Hilfe von Endoskopen einsetzbar sind werden zur Zeit gro Be Anstrengungen unternommen um auch diese Verfahren praxistauglich endoskopisch umzusetzen Hierbei spielen insbesondere die Erh hung der Intensit t des erzielbaren Sig nals und die Verbesserung der Aufl sung auf engstem Raum eine wichti
30. Einspritzpulsationen erzielt werden so muss der Beh lter vor Einschalten der Kraftstoff pumpe mit Pressluft oder Stickstoff vorgespannt werden um bei Betriebsdruck ein besseres D mpfungsverhalten durch ein h heres Gasvolumen zu erreichen Auch kann so die bei der Vermessung der Einspritzd sen beobachtete Stagnation der Einspritzmenge ab einem Ein spritzvolumenstrom von etwa 4 8 l h bzw 80 ul ES bei 2000 min s Abschnitt 5 4 1 zu h heren Einspritzmengen verschoben werden da der Systemdruck w hrend des R ckhubs langsamer abfallen w rde Diese Ma nahme wurde allerdings bisher aufgrund des damit verbundenen Aufwands noch nicht umgesetzt 5 3 2 Niederdruckanlage Um auch bei der Niederdruckkraftstoffversorgung Verunreinigungen wie sie von konventio nellen KFZ Kraftstoffsystemen verursacht werden s Anhang C zu vermeiden wurde auch f r diesen Zweck ein hochreines Kraftstoffsystem aufgebaut das in Abbildung 5 18 und Ab bildung 5 19 gezeigt ist Wie beim Hochdrucksystem wird unn tig hoher Kraftstoffdurchfluss die Verwendung vieler Kunststoffbauteile sowie die Erw rmung des Kraftstoffes auf ein Mi nimum reduziert DRUCK D SE KRAFTSTOFFTANKS SPEICHER EINSPRITZ f SIGNAL p 12 VDC i __ DRUCK r F FFF ET SIGNAL DRUCKSENSOR e Fe ns N FILTER D MPFER Eisensau Sof Ce n m m LI_L_L VERSORGUNG ANSTEUERUNG DRUCK MEMBRAN REGLER PUMPE KRAFTSTOFF Abbildung 5 18 Aufbau
31. Formaldehyd offenbar sehr gering ist Au erdem wird die Auswertung des Signals w hrend und auch noch nach Ende der Einspritzung durch die hohe Intensit t des durch Streuung von Laserlicht an Kraftstofftr pfchen hervorgerufenen Streulichtsignals dessen Einfluss auch durch den verwendeten Bandpasstfilter nicht voll st ndig verhindert werden kann erschwert Insbesondere kann nach Ende der Voreinsprit zung bei 420 KW nicht genau festgestellt werden wie lange das Kraftstoffspray bis zu sei ner vollst ndigen Verdampfung noch durch Streulicht zum Gesamtsignal beitr gt und daher nicht gekl rt werden ob und in welchem Umfang das im Bereich der Zwischenkompression detektierte ohnehin sehr schwache Signal durch Fluoreszenz von CH O oder durch Streu 138 6 2 Messungen in der Vorz ndung licht verursacht wird Au erdem k nnen auch st rende Einfl sse durch fluoreszierende Ver unreinigungen des Kraftstoffs nicht ausgeschlossen werden da zum Zeitpunkt der Messun gen die in Abschnitt 5 3 1 vorgestellte hochreine Kraftstoffanlage noch nicht zur Verf gung stand 6 2 2 Endoskopische Messungen mit Fremdz ndung Wie bereits in Abschnitt 5 1 4 erw hnt verf gt der optische Motor ber die M glichkeit en doskopische Messtechniken durch Einsatz eines Endoskoprings anstelle des Glasrings zu erproben und diese auch f r Betriebszust nde wie z B den HCCI Betrieb s Abschnitt 6 2 3 anzuwenden bei denen der Einsatz der Glasbauteile
32. Hierzu wer den verschiedene LED Leuchtmittel verwendet die auf Platinen zusammen mit dem Raster und der Spannungsversorgung 9 V Batterie wie in Abbildung G 1 gezeigt auf einer gemein samen Basisplatte montiert werden k nnen Der Durchmesser der Basisplatte entspricht dem Bohrungsdurchmesser wodurch die genaue Positionierung im Brennraum erleichtert wird Die verschiedenen Leuchtmittel k nnen einzeln durch einen Wahlschalter aktiviert wer 207 Anhang G den Die technischen Daten der verwendeten Leuchtmittel sind in Tabelle G 1 aufgelistet Alternativ zur Verwendung der eingebauten Beleuchtung kann die Vorrichtung auch nur zur Positionierung des Rasters verwendet und die Beleuchtung mit Hilfe des Beleuchtungsendo skops und des Lasers durch Nutzung von Streulicht erfolgen Tabelle G 1 Technische Daten der verwendeten Leuchtmittel der beleuchteten Einstellvor richtung f r endoskopische Messungen LED Hintergrundbeleuchtung Blau 465 470 nm U 3 4 V I 20 mA Rv 280 Q Conrad Elektronik Best Nr 183747 Spezial UV LED U 6 5V 20 mA Ry 125 Q0 Conrad Elektronik Best Nr 180353 UV LED 2 St ck 400 405 nm U 35V l 20 mA R 100Q Conrad Elektronik Best Nr 160000 Wei e LED 2 St ck Conrad Elektronik Best Nr 180000 Gr ne LED 2 St ck Conrad Elektronik Best Nr 180768 U Betriebsspannung I Betriebsstrom Rv Vorwiderstand 208
33. Optische Messtechniken 2 3se mean 60 4 1 Flammeneigenlechtensaassena ea an 60 4 2 JE lastische Strelligessse en ee een ee 62 4 3 Laserinduzierte Fluoreszenz LIF 0024022000200 0200 Bnnn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nennen 65 9 N EIS UCHSAN AG Eee 70 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand 20022200020000nenn nenne nenne nenne nennen 70 Inhaltsverzeichnis 5 1 1 Grundt aa EE EOE E EO EE EO 72 5 1 2 Zylinderkopf und Nockenwellengeh use u0 su024002400nnn nenn nenn nenn nennen 73 5 1 3 Kolben Und Lauftblichse n 2 3 78 5 1 4 Optische ZUGaNgE een ee 80 5 2 Indiziersystem und Datenerfassung 222u2240220002000nnn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nennen 86 Sel SLEUELUNG GESPL ISIANGs teen een 86 9 2 2 DaleNerlasSsUNger een 89 9 2 DEUCKINGIZIE FIN GB ee 91 5 3 KrallslollanlageNusasusn ann einen 92 5 3 1 Hochdruckkraftstoffanlage 002400200020002000nnn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nenn nennen 93 5 32 INIEGEIOLUEKAN ag Eee 97 SA IMIEKIOLCN een 99 5 4 1 Hochdruckinjektoren u0 4002000200020n0nnn nenn nenn nenn nun nenn nenn nenn nenn nenn nennen 99 94 2 NiederdruckinjeKtO scssi a a a 103 9 9 ANSAUGSYS TEN o ee 105 5 5 1 ANSAUGOrUCKKORITOllEnn een 105 9 92 NANGOO Seesen einen en line 106 5 5 3 L ftmengenbestimmung ans aa 107 9 9 4 BERUNIGUNGSVOlIMEN naeh hit 109 555 LUIVOIWAINMUINgEH Reel e
34. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy TDLAS u2220 165 6 5 Verbesserungspotentiale f r bestehende und zuk nftige Pr fst nde 167 6 5 1 Verbesserungen am bestehenden Pr fstand 022202200222020o 167 6 5 2 Optimierungspotential f r zuk nftige Pr fst nde un ussnsseenenne nenn 169 7 Zusammenldassung rennen 172 LILEFALUFVETZEICHN IS hassen 178 ANHANG A aom E E eee 183 KOMpaktpr l StaR une En 183 OBLUSCHEF MOlOL ann een E 184 Anpang Boons nena EL EREEREENERE TEE NERDESRENOEEEEE ERTL FERNER OE E 185 MENLIEINEDLUNGSKUVEN see 185 Einstell ng der Steuerzeiten a nae tea ih I icli 185 ANA Ge ee O E tere 188 Fluoreszenzmessungen an Kraftstoffproben uuu 44u0nennennnnn nenne nnnnn nenne nenne nennen 188 Annand Desear e e E d 192 Charakterisierung der Einspritzd sen 22220022400020000nennennnnn nenne nnnnn nenne nenne enennenen 192 Betriebsgrenzen der Hochdruckeinspritzanlage u0 4002240020n0onnn nenn nenn nennen ernennen 196 D mpfung von Druckpulsationen im Niederdruckeinspritzsystem 2 004440240 Rn 196 Interpolation von Kraftstoffspray Eindringtiefen 0 u04400440RRnn nennen nennen nenne 197 ANNAN E zielen 200 Betriebsgrenzen des AnsaugsystemsS nuuenesuenenennsnenennenennnnnnenennonennnnnnenennonennnnnne nennen 200 D mpfungseigenschaften von Luftkessel und D
35. Versorgung mit K hlwasser erfolgt ber die hauseigenen Versorgungsnetze Zur Abfuhr des Abgases wird das Abgassystem des Motorenlabors genutzt Der Asynchronmotor ist in der Lage den Motor mit bis zu 3000 min anzutreiben und kann ein maximales Drehmoment von 120 Nm aufbringen ber den Drenmomentmessflansch k nnen Drehmomente von bis 71 5 Versuchsanlage zu 50 Nm gemessen werden Mit Hilfe der K hlwasser und lkonditionieranlage kann der Motor mit K hlwasser und Schmier l bei einer geregelten Zulauftemperatur von bis zu 90 C versorgt werden Die Beheizung erfolgt f r beide Medien elektrisch wohingegen zur K hlung K hlwasser aus dem Hauskreislauf verwendet wird Weitere technische Daten der Konditio nieranlage sind in Anhang A zusammengefasst Da am Lieferzustand der K hlmittelkonditio nierung sowie des Elektroantriebs keine Ver nderungen vorgenommen wurden wird f r technische Details auf die jeweiligen Betriebsanleitungen des Herstellers verwiesen 67 68 Der in vielerlei Hinsicht speziell an die experimentellen Erfordernisse angepasste optische Einzylindermotor soll hingegen in den n chsten Abschnitten detaillierter beschrieben werden 5 1 1 Grundmotor Der optische Motor basiert auf einem Einzylinder Forschungsgrundmotor vom Typ AVL 5800 dessen Hauptkomponenten in Abbildung 5 3 dargestellt sind 69 Dieser besteht aus dem Kurbelwellengeh use dem Lagerschild Kurbelwelle und Pleuel dem Schwungrad sowie dem Massenau
36. Zylinder optisch zug nglich gemacht der Rest des Motors aber meist nur geschleppt betrieben wird 41 49 50 Bei dieser L sung kann ein Gro teil des Motors unver ndert oh ne Kompression betrieben und der bestehende Massenausgleich evtl mit Anpassung der Ausgleichsmassen bei Verl ngerung des Kolbens genutzt werden Die brigen Zylinder k nnen deaktiviert d h der Ventiltrieb au er Kraft gesetzt und die Ventile ge ffnet werden so dass der Ventiltrieb lediglich f r den optisch zug nglichen Zylinder genutzt wird Die Her stellung optischer Zug nge zu mehr als einem Zylinder an einem Motor wird nur selten um 56 3 2 Anforderungen an den Pr fstand gesetzt 49 51 Eine andere Hauptbauform besteht in der Verwendung eines Einzylindermo tors mit eigenem Massenausgleich als Grundmotor und einem an diesen Motor angepassten Zylinderkopf Als Grundmotor kommen hierbei h ufig speziell hergestellte Forschungsmoto ren oder stabile Einzylindermotoren zum Einsatz Die Zylinderk pfe k nnen entweder spezi ell f r eine gute optische Zug nglichkeit konstruiert in Anlehnung an eine Serienkontur er stellt oder durch Umbau eines Serienzylinderkopfs hergestellt werden 45 47 49 52 3 2 Anforderungen an den Pr fstand An den zum Betrieb eines optisch zug nglichen Motors erforderlichen Pr fstand werden in der Regel hohe Anforderungen in Bezug auf Betriebsmittelkonditionierung und Regelung der brigen Betriebsparameter gestellt um
37. an getrieben zum anderen aber auch durch die Stellung der Exzenterwelle beeinflusst wird Er 76 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand dreht sich w hrend des Ventilhubes um die Mitte der sowohl mit der Kulisse als auch mit der Exzenterwelle in Kontakt stehenden Rolle und wird von der R ckstellfeder stets an s mtliche Lauffl chen angedr ckt Durch Verdrehen der Exzenterwelle wird die Lage bzw der genutzte Teil der Arbeitskurve ver ndert so dass sich unterschiedliche Hubverl ufe und Maximalh be realisieren lassen Ventilhubdiagramm s Anhang B Die Exzenterwelle wird durch einen Stellmotor der auf ein Schneckengetriebe wirkt verdreht Die Position der Exzenterwelle wird permanent von einem Winkelaufnehmer erfasst an das Steuerger t weitergegeben und somit berwacht Die Parametrierung des Steuerger ts und somit die Einstellung des ge w nschten Ventilhubs erfolgt ber den INCA Rechner s Kapitel 5 2 1 R CKSTELLFEDER KULISSE E 3 ER a EINLASSNOCKENWELLE SCHLEPPHEBEL O P SCHLEPPHEBEL Br ia pe LEDEN g X SCHLEPPHEBELAUFLAGER IT SCHLEPPHEBELAUFLAGER VENTILSPIELAUSGLEICH VENTILSPIELAUSGLEICH AUSLASSVENTIL EINLASSVENTIL Abbildung 5 6 Hauptkomponenten und Aufbau des Ventiltriebs am optischen Motor STELLMOTOR EXZENTERWELLE SCHNECKENGETRIEBE AUSLASSNOCKENWELLE pn Der Ventiltrieb der Auslassseite ist wesentlich einfacher gestaltet und erm glicht keine Ein stellung des Ventilhubs Die V
38. auf den einzelnen Zylinder 25 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren bezogen und die zunehmenden Reibungsverluste Dementsprechend wirkt sich bei einer Reduzierung der Zylinderanzahl die Verringerung der Wandw rme und Reibungsverluste positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus Weiterhin positiv ist in diesem Fall die im Vergleich zur Verringerung des Zylindervolumens st rkere Verkleinerung des Bauraumes zu werten Allerdings verschlechtert eine abnehmende Zylinderanzahl das Lauf und Schwingungsver halten In der praktischen Umsetzung wird daher meist eine Kombination aus Verringerung des Zylindervolumens und Verringerung der Zylinderanzahl gew hlt die s mtlichen Anforde rungen m glichst gerecht wird 5 9 Wie bereits in Abschnitt 2 1 erl utert ist es zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrades grunds tzlich sinnvoll ein m glichst hohes Verdichtungsverh ltnis anzustreben da der thermodynamische Wirkungsgrad wesentlich vom Verdichtungsverh ltnis e abh ngt Wie aus den Gleichungen 2 1 2 2 und 2 3 hervorgeht l sst sich der Wirkungsgrad neben einer Stei gerung des Verdichtungsverh ltnisses durch die Erh hung des Isentropenexponenten x ver gr ern was einer Verringerung des Kraftstoffanteils im Gemisch mageres Gemisch ent spricht Dies ist allerdings bei Verwendung von Fremdz ndung nur soweit m glich wie das Gemisch z ndf hig bleibt so dass zu diesem Zweck auch die Anwendung des HCCI Verfahrens s Abschnit
39. besserer Durchmischung h here Werte auftreten k nnten Da im gezeigten Fall von einer weitestge hend homogenen Durchmischung auszugehen ist und bei sp terer Einspritzung eine stei gende Tendenz der Anteile unverbrannten Kraftstoffs zu beobachten ist muss bei allen Messungen die eine genaue Kenntnis der umgesetzten Kraftstoffmenge erfordern und ins besondere bei Messungen f r die eine Ladungswechselsimulation durchgef hrt wird eine Messung der Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe durchgef hrt werden Zumin dest sollte f r jeden gemessenen Betriebszustand eine grobe Absch tzung der unverbrann ten Kraftstoffmenge durch Vergleich der mittels Kalibrierung ermittelten und der aus den A Messungen gewonnenen Einspritzmengen durchgef hrt werden Auch wenn die mit Hilfe der A Sonde ermittelten Einspritzmengen keine besonders hohe Genauigkeit besitzen s Abschnitt 5 6 so liefern sie dennoch einen wichtigen Anhaltspunkt daf r ob bei der Auswer tung der optischen Messungen eine gr ere Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe in Betracht gezogen werden muss 6 3 Einspritzuntersuchungen 6 3 1 Ziel der Messungen Zur Untersuchung der Sprayausbreitung unter motorischen Randbedingungen wurden Ein spritzuntersuchungen am optischen Einzylindermotor durchgef hrt Ziel war es hierbei den Einfluss verschiedener Brennraumdr cke auf die Eindringtiefe des fl ssigen Kraftstoffs bis zu seiner vollst ndigen Verdampfung zu bestimmen Au e
40. da die Polynome nur innerhalb dieser Bereiche sinnvol le Ergebnisse liefern 80 70 Einspritzvolumen t 10 5 Ansteuersignal na 60 Stromverlauf Einspritzd se 90 g E SA E50 L 5 5 2 we 5 40 L 60 3 2 5 cm WR 5 4 5 UKAA AAAA E 5 sas 7 20 EN asm 3 0 N vI 10 a 0 0 0 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 Ansteuerdauer ms Abbildung D 1 Zeitlicher Einspritz Strom und Spannungsverlauf f r die Mehrlochd se 192 Anhang D Tabelle D 1 Polynomkoeffizienten zur rechnerischen Absch tzung der Einspritzmengen f r die Mehrlochd se Polynomformat Zeitbereich Koeffizient Drehzahl 1000 min Drehzahl 2000 min BEE SEE EEE EEE as mn BEE EEE EEE HE TE EEE EEE a en E T Hinweis unbedingt alle Nachkommastellen zur Berechnung verwenden t 0 21 0 32 ms t 0 32 0 67 ms t 0 67 3 33 ms 193 Anhang D 30 N oO Steuerspannung V D senstrom A _60 Spannungsverlauf Einspritzd se Einspritzvolumen 90 i e2 Ansteuersignal Einspritzvolumen ul D senspannung V r N oO Stromverlauf Einspritzd se Pe u oO re oO 0 2 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 Zeit ms Abbildung D 2 Zeitlicher Einspritz Strom und Spannungsverlauf f r die A D se Tabelle D 2 Polynomkoeffizienten zur Absch tzung der Einspritzmengen
41. der Firma BMW Details s Kapitel 5 1 2 und die Variation von Steuerzeiten sowie des Ventilhubs f r einige der durchgef hrten Experimente von Bedeutung ist Au erdem k nnte wie sp ter erl utert wird durch zus tzlichen Einsatz 29 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren eines Systems zur Verstellung der Steuerzeiten im laufenden Betrieb Variable Nockenwel lensteuerung VANOS das Anfahren des HCCI Betriebs im optischen Motor vereinfacht wer den Die Variation der Steuerzeiten erfolgt entweder individuell f r jede Nockenwelle ber No ckenwellenversteller die in den Kettenr dern oder Zahnriemenscheiben untergebracht sind oder ber Kettenversteller die auf die Steuerkette zum Antrieb der beiden Nockenwellen wirken und so beide Nockenwellen gleichzeitig verstellen Allen Konstruktionen gemein ist dass sie die relative Stellung der Nockenwellen gegen ber der Kurbelwelle ver ndern Der Antrieb erfolgt in den meisten F llen hydraulisch mit Hilfe des Motor lsystems und Steuer ventilen Um zus tzlich auch den Hub der Ventile variabel gestalten zu k nnen kommen verschiedenste Systeme zur Anwendung die mit verschiebbaren Nocken Zwischenhebeln oder hydraulischen Verstelleinheiten den Ventilhub beeinflussen Angetrieben werden diese Systeme entweder ber die Motor lversorgung oder elektromechanisch Diese Verstellsys teme bieten zwar bereits ein breites Spektrum an Verstellm glichkeiten weisen aber je nach Ausf hrung
42. der Motordrehzahl dargestellt ist 200 Anhang E 90 80 70 60 D mpfung 50 40 30 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Drehzahl mint Abbildung E 2 Theoretische D mpfung von Ansaugdruckst en durch den Luftkessel Da f r das D mpfungsverhalten des gesamten Ansaugsystems neben dem Luftkessel auch die Position der Drosselklappe eine wichtige Rolle spielt wurde deren Einfluss anhand der Druckverl ufe im Ansaugrohr untersucht Die Ergebnisse sind in Abbildung E 3 dargestellt Zusammen mit der D mpfung des Luftkessels ergeben sich f r die verschiedenen Drossel klappenpositionen die in Abbildung E 4 dargestellten und im Luftkessel gemessenen Druck verl ufe Aus diesen Verl ufen k nnen wiederum die in Abbildung E 5 dargestellten maxima len positiven und negativen Abweichungen vom Mittelwert des Saugrohrdrucks bzw des Luftkesseldrucks ermittelt werden Der Einfluss der Drosselklappenposition auf den Ansaug rohrdruck sowie die Ansaugluftmenge ist in Abbildung E 6 dargestellt Zusammenfassend ist festzustellen dass der Betrieb des Motors bei einer Drosselklappenstellung von etwa 10 am Sinnvollsten ist da hier eine gute D mpfung erzielt wird und gleichzeitig nur ein verh lt nism ig geringer Einfluss auf Saugrohrdruck und Ansaugluftmenge zu verzeichnen ist s auch Abschnitte 5 5 4 5 5 6 und 5 5 7 201 Anhang E 1150 1100 1050 1000 950 A 900 S 850 E 80
43. der Niederdruck Kraftstoffanlage 97 5 Versuchsanlage Bei der Kraftstoffpumpe handelt es sich um eine doppeltwirkende Membranpumpe ALMATEC E 08 UTT deren Geh use und kraftstoffber hrte Bauteile vollst ndig aus Tef Ion und Edelstahl gefertigt sind Die Pumpe wird mit Hilfe von Pressluft angetrieben und f r dert sowohl im Vor als auch im R ckw rtshub Der pressluftseitige Druck wird ohne ber setzung auf den Kraftstoff bertragen so dass der Kraftstoffdruck direkt ber den mit Hilfe eines Druckreglers eingestellten Druck der Pressluft geregelt werden kann Der maximale Systemdruck wird daher durch den Maximaldruck des hausinternen Druckluftsystems 6 bar maximal zul ssiger Druck der Pumpe 7 bar vorgegeben und liegt somit im typischen Druckbereich f r Saugrohreinspritzsysteme Das System verf gt im Gegensatz zum Hoch drucksystem nicht ber einen permanenten R cklauf da durch den permanent auf die Membran wirkenden Pressluftdruck nur die ben tigte Kraftstoffmenge gef rdert wird Der R cklauf in dieser Anlage wird im Betrieb mit Hilfe eines Ventils gesperrt und dient nur zur Druckentlastung des Systems nach Betriebsende sowie zur R ckf hrung des im Druckspei cher und in den Leitungen verbliebenen Kraftstoffes TANK F LLSTUTZEN SCHAUGLAS VORLAUFLEITUNG R CKLAUFLEITUNG l ABLASSSCHRAUBE ABSPERRVENTIL En _ Mn gt MANOMETER PRESSLUFTANSCHLUSS ROHRBR CKE DRUCKREGLER ENTLASTUNGSVENTIL T
44. der Zwischenkompression als auch in der Ansaugphase noch nachweisbar sind 149 6 Messungen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 16 Gemittelte Aufnahmen oben sowie Einzelaufnahmen unten des CH O LIF Signals in der Expansionsphase an drei verschiedenen Kurbelwinkelpositionen Es ist anzunehmen dass neben diesen Quellen noch weitere nennenswerte Quellen f r un verbrannten Kraftstoff im optischen Motor existieren die jedoch in den vorliegenden Mes sungen durch den Lichtschnitt bzw das Sichtfeld des Endoskops nicht erfasst wurden Hier zu z hlt insbesondere das im Vergleich anderen Motoren beim optischen Motor gr ere Feuerstegvolumen welches auch in konventionellen Verbrennungsmotoren eine der Haupt quellen unverbrannter Kohlenwasserstoffe darstellt 3 Dieses ist beim optischen Motor sehr gro da sich der erste F hrungsring s Abschnitt 5 1 3 erst 30 mm unterhalb der Kolben oberkante befindet so dass sich in dem 0 5 mm breiten Spalt zwischen Laufbuchse und Kol benkrone ein Volumen von 4 cm befindet in das die Flamme nicht vordringen kann Hinzu kommt dass die beiden F hrungsringe zwar zur Erh hung des Schleppdrucks beitragen die eigentliche Abdichtung des Brennraums aber erst durch den Hydraulikring erfolgt der sich 51 mm unterhalb der Kolbenoberkante befindet so dass der Bereich zwischen diesen Rin gen zus tzlich zum Feuerstegvolumen beitr gt und aufgrund der durch die F hrungsr
45. des Motors im Modell durch einfache Rohr st cke ersetzt und wie auch z B die Ventile oder Rohrkr mmer mit Hilfe von Durchfluss beiwerten beschrieben Die verwendeten Durchflussbeiwerte werden hierbei entweder nach 38 2 4 Experimentelle Ans tze Erfahrungswerten gew hlt oder insbesondere bei komplizierten Bauteilen wie Ventilen und dem Zylinderkopf mit Hilfe einer Flussbank ermittelt 3 23 Die gemessenen Druckverl ufe dienen zum Abgleichen des Modells und als Datenbasis f r zu berechnende Gr en Mit Hilfe des Modells kann z B eine Massenbilanz erstellt werden mit der sich u a der durch andere Methoden kaum zu messende Restgasanteil bzw die AGR Rate bestimmen l sst Auch k nnen Wandw rmeverluste und W rme bergangskoeffizienten abgesch tzt werden die ansonsten nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand experimentell zu ermitteln w ren Eine weitere Anwendungsm glichkeit der Ladungswechselrechnung liegt in der rechnerischen Absch tzung des Einflusses von Parametervariationen z B Ver nderung der Steuerzeiten wodurch aufw ndige und somit teure Versuche in der Entwicklungsphase reduziert und ziel gerichteter durchgef hrt werden k nnen 22 Die Indiziermesstechnik liefert insgesamt eine Vielzahl an Daten die f r die Entwicklung und berwachung eines Motors insbesondere eines Forschungsmotors unverzichtbar sind und als Grundlage f r weitere Messungen dienen So ist z B f r eine optische Konzentrations messung di
46. die M glichkeit r umlich aufgel ste Informationen zu gewinnen wodurch auch die Untersu chung sehr komplexer ber den gesamten Brennraum verteilter Vorg nge m glich ist Eine ausreichende Geschwindigkeit des Messsystems vorausgesetzt ist neben der r umlichen zus tzlich die zeitlich hoch aufgel ste Vermessung schneller Vorg nge m glich wodurch nicht nur einzelne Momentaufnahmen von Ereignissen erstellt sondern auch deren Abfolge erfasst werden kann Hierdurch k nnen Ursache und Wirkung einzelner Ereignisse in Zu sammenhang gebracht werden die bei Mittelwertbildung oder lediglich der Beurteilung von au en wie sie mit konventionellen Messmethoden m glich ist nicht erfasst werden k nn ten Die Untersuchungsm jglichkeiten mit optischen Messtechniken sind hierbei u erst zahl reich und auf verschiedene physikalische wie auch chemische Eigenschaften der zu unter suchenden Systeme anwendbar so dass im Folgenden zun chst ein genereller berblick gegeben werden soll In Tabelle 2 3 wird hierzu eine nach Messaufgaben unterteilte ber sicht optischer Diagnoseverfahren gegeben Verfahren die im Rahmen dieser Arbeit ange wendet wurden werden anschlie end in Kapitel 4 n her erl utert 42 2 4 Experimentelle Ans tze Tabelle 2 3 Optische Messverfahren physikalisches Prinzip und Messgr en Diagnoseverfahren Signalquelle Messprinzip Information z B Reflektion und Streuung von eingestrahltem Licht PIV an Oltr
47. die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu ge w hrleisten Au erdem sollte der Aufbau des Pr fstands derart gestaltet sein dass m g lichst alle optischen Zug nge frei zug nglich sind und ausreichend Platz zum Aufbau der optischen Komponenten zur Verf gung steht Die Reproduzierbarkeit von Messungen an optisch zug nglichen Motoren h ngt in hohem Ma e von konstanten Betriebsbedingungen des Motors ab Da insbesondere bei Motoren mit gro en optischen Zug ngen im Gegensatz zu Serienmotoren ein Dauerbetrieb aufgrund von berhitzung der optischen Bauteile oder deren Verschmutzung meistens nicht m glich ist kann der Motor nicht so lange betrieben werden bis sich konstante Randbedingungen einstellen Daher m ssen sowohl das K hlwasser als auch das Schmier l durch externe Pumpen umgew lzt und durch eine Heizung sowie einen K hler auf einer konstanten Be triebstemperatur gehalten werden Druck Temperatur und ggf Feuchtigkeit der Ansaugluft m ssen ebenfalls kontrolliert werden da bereits geringe Abweichungen einen hohen Einfluss z B auf den Liefergrad und somit das Betriebsverhalten des Motors haben Weniger kritisch hingegen ist die Kraftstofftemperatur sofern die Einspritzd sen ausreichend von temperier ten Motorbauteilen wie z B dem Zylinderkopf erw rmt werden so dass der Kraftstoff auf grund der geringen Durchflussmengen automatisch an die Zylinderkopf oder Saugrohrtem peratur angleicht Die verwendeten Einspritzanlagen
48. dieser Betriebszust nde eine starke Verschmutzung des Brennraumes durch einen ligen Niederschlag der wahrscheinlich durch unvollst ndige Reaktion der Kraftstoffbestandteile unter erh hten Druck und Temperaturbedingungen gebildet wird Ins gesamt erwiesen sich diese ersten Betriebspunkte noch nicht als geeignet f r den Selbst z ndbetrieb des optischen Motors Urs chlich f r dieses Betriebsverhalten war vermutlich eine noch nicht ausreichende Aufheizung der Mischung im Verlauf der Kompression da sich das Betriebsverhalten durch erh hen des AGR Anteils verbessern lie Die aufgetretenen Verschmutzungen lie en darauf schlie en dass keine vollst ndige Reaktion stattfand was auf unzureichende Durchmischung von Kraftstoff und Luft oder zu geringe Temperaturen in einigen Bereichen der Zylinderf llung mit daraus resultierendem schlechten Ausbrand zu r ckzuf hren sein kann 127 6 Messungen In der n chsten Versuchsreihe wurden auf Basis der Erkenntnisse der ersten Versuchsreihe daher die in Bezug auf einen geringen Anteil von Z ndaussetzern und noch vertretbare Dru ckanstiegsraten max 4 bar KW nach Einsetzen der Verbrennung vielversprechendsten Einstellungen als Grundlage gew hlt Auch diese Versuchsreihe wurde bei einer Drehzahl von 1200 min durchgef hrt Die Einlassspreizung wurde hierbei auf einen f r alle Versuche der Versuchsreihe konstanten Wert von 130 KW und die Auslassspreizung auf 150 KW festgelegt Hierbei
49. durch das Fehlen von LIF deutlich von den noch unverbrannten Bereichen getrennt In zuk nftigen Un tersuchungen bietet sich hierdurch die M glichkeit durch Einsatz eines Doppelpulslasers zur Aufnahme von zwei Bildern ein und derselben Flamme in kurzen Zeitabst nden oder die Verwendung von hochrepetitiien Messsystemen zur Abbildung kompletter Verbrennungs zyklen die Flammenausbreitung und Brenngeschwindigkeit zu untersuchen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 6 Einzelaufnahmen der CH gt O LIF w hrend der Verbrennung an der gleichen Kurbelwinkelposition in unterschiedlichen Zyklen sowie Positionen der zur Ermittlung des in Abbildung 6 8 gezeigten relativen Signals der CHsO Intensit t verwendeten Messbereiche Markiert durch rote Rechtecke Zur Untersuchung der Entwicklung der Intensit t des CH gt O LIF Signals im Verlauf der Kompressionsphase und der Verbrennung wurden Mittelwertbilder aus jeweils 50 Einzelauf nahmen f r jede untersuchte Kurbelwinkelposition erstellt Diese sind in Abbildung 6 7 f r den Kurbelwinkelwinkelbereich von 130 KW bis 36 KW dargestellt Hieraus geht hervor dass w hrend der Kompressionsphase ber einen gro en Kurbelwinkelbereich von 130 KW bis etwa 8 KW fast keine Zunahme der Intensit t zu beobachten ist Im An schluss an die Z ndung bei 25 KW erfolgt jedoch ab etwa 8 KW ein vergleichsweise star ker Anstieg der Intensit t bis etwa 6 KW Diese Entwicklung
50. eingebaut werden so dass bei der Probenahme auch nur Gas aus diesem Be reich thermische Grenzschicht entnommen werden kann welches u U nicht repr sentativ f r die Gaszusammensetzung im Brennraum ist Durch eine spezielle Ausf hrung des Ven tils k nnen zwar auch Proben bis zu einer Tiefe von ca 10 mm entnommen werden 26 allerdings lassen sich nie der gesamte Brennraum und insbesondere nicht Teile des Hubvo lumens erproben Des Weiteren muss daf r gesorgt werden dass die entnommene Probe m glichst schnell verd nnt und abgek hlt wird damit es nicht zu weiteren Reaktionen oder bei der Messung von Ru partikeln zur Agglomeration von Partikeln kommt durch die das Messergebnis beeinflusst w rde Insgesamt unterliegt die Entnahme von Proben aus dem Brennraum somit einer Reihe von Einschr nkungen insbesondere im Hinblick auf die R um liche Aufl sung ist jedoch z B f r die strukturelle Charakterisierung von Ru proben zu ver schiedenen Zeitpunkten des Zyklus die einzige Untersuchungsm jglichkeit 26 Auch f r die detaillierte Untersuchung komplexer chemisch physikalischer Vorg nge wie der Verdamp fung von lfilmen 27 besteht derzeit keine andere Untersuchungsmethode da z B optische Verfahren meist nur einige wenige Spezies erfassen k nnen 2 4 3 Optische Messtechniken Die bisher vorgestellten Untersuchungsmethoden erm glichen zwar bereits die Gewinnung verschiedener Informationen zur Beurteilung des Brennverlaufs d
51. f r die A D se Polynomformat Ves Att Bt Ct Dt E ul Zeitbereich Koeffizient Drehzahl 1000 min Drehzahl 2000 min _1 228 156491 894 896439 t 0 017 0 33 ms _74 603681 t 0 39 1 50 ms 50 795513 51 763249 1 583858 1 258888 197 61 t 1 50 1 67 ms 1056 2 50 95513 1895 3 1 583858 1054 7 Hinweis unbedingt alle Nachkommastellen zur Berechnung verwenden 194 Anhang D 15 1 5 14 1 4 13 Einspritzvolumen 1 3 12 Stromverlauf EEE a man Ba a 1 2 11 Ansteuersignal 1 1 s 310 i g9 09 2 E g 08 5 S 7 nz gL 2 y 6 0 6 lt e 5 0 5 jrr f e 4 H 0 4 ra 3 0 3 HER s 0 l U I U I 0 0 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 Zeit ms Abbildung D 3 Zeitlicher Einspritz Strom und Spannungsverlauf f r die Saugrohrd se Tabelle D 3 Polynomkoeffizienten zur Absch tzung der Einspritzmengen f r die Saugrohr einspritzd se Polynomformat Zeitbereich Koeffizient Drehzahl 1000 min Drehzahl 2000 min om t 167 250MS D 0038881806 Hinweis unbedingt alle Nachkommastellen zur Berechnung verwenden 195 Anhang D Betriebsgrenzen der Hochdruckeinspritzanlage Bedingt durch ihr maximales Hubvolumen ihre feste Drehzahl sowie systembedingte R ck laufmengen besitzt die hochreine Hochdruckkraftstoffanlage in der praktischen Anwendung einen maximalen F rdervolumenstrom von etwa 4 8 l h s Abschnitt 5 3 1 Abbildung D 4 z
52. fol genden Gleichungen beschriebenen Mechanismus Zeldovich Mechanismus gebildet N 0 S NO N 2 17 O N 5 NO O 2 18 OH N 5 NO H 2 19 Diese Reaktionen laufen sowohl in der Flammenfront als auch in den verbrannten Bereichen ab wobei die Verweilzeit in der Flammenfront so gering ist dass in ihr nur ein geringf giger Anteil gebildet wird Insbesondere f r das Ablaufen der Reaktion 2 17 sind hohe Aktivie rungsenergien erforderlich so dass die Bildung von NO erst oberhalb von ca 2000 K in re levantem Ma e erfolgt und auf diese Weise gebildete Stickoxide auch als thermisches NO bezeichnet werden Zwar handelt es sich bei den o g Reaktionen um Gleichgewichtsreaktio nen so dass prinzipiell auch die R ckreaktion und somit Reduktion von NO m glich w re jedoch sinkt w hrend der Expansion die Temperatur so stark ab dass die R ckreaktion praktisch nicht mehr stattfindet 5 Zur Verringerung der Stickoxidbildung kann also eine Ver ringerung der Verbrennungstemperatur durch Abmagerung des Gemisches einen wichtigen Beitrag leisten Aber auch eine m glichst schnelle Reaktion mit nachfolgender schneller Ab k hlung der Verbrennungsgase kann die NO Bildung vermindern da hierdurch die Verweil zeit im f r den Ablauf der Reaktionen g nstigen Temperaturbereich minimiert werden kann 5 8 Ein weiterer Mechanismus der Stickoxidbildung ist der sog Fenimore Mechanismus CH N S HCN N 2 20 Dieser l uft in der Flammenifront mit Hilfe vo
53. genannten Systemeigenschaften ausgestatte te optisch zug ngliche Motoren wie der im Rahmen dieser Arbeit verwendete optische Motor an da an ihnen eine Vielzahl der genannten Verfahrensvarianten erprobt und eingehend mit unterschiedlichsten Methoden untersucht werden kann Die hierbei anwendbaren experimen tellen Ans tze sollen im nachfolgenden Kapitel n her erl utert werden 2 4 Experimentelle Ans tze Zur Entwicklung moderner Motoren und verbesserter Verbrennungskonzepte ist eine m g lichst detaillierte Kenntnis der u eren Betriebsbedingungen des Motors sowie der Verh lt nisse im Brennraum unerl sslich Zur Erfassung des Motorbetriebszustandes ist je nach Zielsetzung die Messung einer Vielzahl von Temperaturen Dr cken Massenstr men 34 2 4 Experimentelle Ans tze Drehzahlen und Kr ften sowie der Abgaszusammensetzung notwendig Ein genereller ber blick ber diese Messgr en sowie deren Verarbeitung im Pr fstandssystem ist in Abbil dung 2 12 schematisch dargestellt Eine detaillierte Beschreibung der im Zusammenhang dieser Arbeit relevanten Systeme wird in Kapitel 5 gegeben Pr fstandsautomatisierungssystem Motorbetriebspunkt Messdaten Motordatenerfassung Regelung Stellung verarbeitung Medien Online 00 Em c Aa Q w Pu eb a Volumen Konzentration eb o E ce 5 S D e c v o N a E 0 5 2p gt Dr cke Temperaturen 8 E Q H t Fahrhebelst
54. injection sur le Fonctionnement d un Moteur a injection directe essence Dissertation Universit t Rouen 2004 C Espey J E Dec Diesel Engine Combustion Studies in a Newly Designed Optical Access Engine Using High Speed Visualization and 2 D Laser Imaging SAE Technical Paper 930971 1993 J Allen D Law G Pitcher P Williams A New Optical Access Research Engine for Advanced Fuel Spray and Combustion Analysis Using Laser Based Diagnostics International Symposium on Automotive Technology and Automation ISATA Dublin 2000 F W Bowditch A New Tool for Combustion Research A Quartz Piston Engine SAE Technical Paper 610002 1961 M Richter Introduction to measurement techniques Optical access to engines Pr sentation Eco Engines Summer School Paris 2005 W G Bessler M Hofmann F Zimmermann G Suck J Jakobs S Nicklitzsch T Lee J Wolfrum C Schulz Quantitative in cylinder NO LIF imaging in a realistic gasoline engine with spray guided direct injection Proceedings of the Combustion Institute 30 2667 2674 2005 G Gr nefeld V Beushausen P Andresen W Hentschel Spatially resolved Raman scattering for multi species and temperature analysis in technically applied combustion systems Spray flame and four cylinder in line engine Applied Physics B 58 333 342 1994 U Fissenwert V Sick H Pucher Characterization of Combustion and NO Formation in a Spray Guided Gasoline Direct Injection Engine using Che
55. jedoch bed rfen besonderer Anstren gungen da keine Serienprodukte zum Einsatz kommen k nnen Diese enthalten immer Kunststoffkomponenten aus denen sich Bestandteile l sen k nnen und so die hochreinen Kraftstoffe verunreinigen Daher sind aufw ndige Sonderkonstruktionen erforderlich in de nen nur solche Stoffe Verwendung finden bei denen eine Verunreinigung der Kraftstoffe ausgeschlossen werden kann s Abschnitt 5 3 Zum An oder Abtrieb des Motors kommt zweckm igerweise ein Vier Quadranten Antrieb zum Einsatz da dieser sowohl im ge schleppten als auch im gefeuerten Betrieb eine gleichbleibende Drehzahl gew hrleisten kann 57 3 Versuchstr ger optischer Motor Ebenso wichtig wie die Regelung der Betriebsparameter ist ihre messtechnische Erfassung um w hrend der Messung Abweichungen vom Sollzustand erkennen oder gleiche Bedin gungen im Bedarfsfall anhand protokollierter Messwerte zu einem sp teren Zeitpunkt erneut einstellen zu k nnen Auch erm glicht die m glichst genaue Erfassung der Messwerte eine Berechnung von Massen und W rmestr men sowie ggf die Erstellung eines numerischen Modells zur Erg nzung der optischen Messungen und Vorausplanung zuk nftiger Versuche Die Erfassungsrate der Messwerte sollte hierbei an die nderungsgeschwindigkeit der zu erfassenden Messgr e angepasst werden um unn tig hohe Datenvolumina sowie hohe Kosten der erforderlichen Ger te zu vermeiden So m ssen z B der Zylinderdruck sowie
56. kann Hierdurch ist der Einsatz dieser Technik zum Teil auch bei Serienmotoren zur Visualisierung der Verbrennung m glich 3 Andere aktive Methoden ben tigen eine externe Lichtquelle wobei hier in den meisten F llen ein Laser verwendet wird Daf r wird der Strahl mit einer geeigneten Optik zu einem flachen Lichtschnitt geformt und in den Brennraum eingekoppelt Im einfachsten Fall kann das Licht des Lasers z B dazu verwendet werden eine Ebene im Kraftstoffspray zu beleuch ten und das an den Kraftstofftropfen gestreute Licht Mie Streuung zu detektieren um so das Sprayverhalten und eventuelle Interaktionen mit den Brennraumw nden beurteilen zu k nnen 31 In hnlicher Weise wird die Streuung an Partikeln bei der Particle Image Velo cimetry PIV genutzt um Str mungsfelder im Brennraum zu vermessen Hierbei wird die Ansaugluft mit einem feinen lnebel vermischt seeding und dann das Streulicht in der Lichtschnittebene detektiert Durch zwei kurz hintereinander erfolgende Aufnahmen im Mo tor im Bereich zwischen 2 und 40 us k nnen anschlie end mittlere Verschiebevektoren der Partikel einzelner Bildbereiche mit Hilfe des mathematischen Verfahrens der Kreuzkorrelati on berechnet und so das Str mungsfeld ermittelt werden 32 44 2 4 Experimentelle Ans tze Je nach verwendeter Wellenl nge k nnen auch unterschiedlichste Molek le zur Fluoreszenz angeregt werden deren Emission anschlie end mit Hilfe einer Kamera au
57. liegt Diese zunehmende Streuung kann z B mit den zu sp teren KW zunehmenden Druckans tiegsraten erkl rt werden die eine genaue Bestimmung des Drucks w hrend des Messinter valls 3 KW erschweren Au erdem weicht die Verdichtung immer mehr von der angenom 165 6 Messungen menen adiabaten Kompression ab und es bilden sich zunehmend Bereic lichen Temperaturen s auch Abschnitt 6 4 2 Au erdem sind noch Ausv aufgrund der verwendeten Datenbasis des Anfittens und eventuellen Eir bungsluftfeuchte zu ber cksichtigen 100 Scan 40048 40081 Scan 42690 42723 Scan 43410 43443 Scan 50134 50167 AG 0 15v0ol 0 02vol 144 bis 63CAD 0 6 0 4 H O concentration vol O CO 0 2 0 0 150 140 130 Abbildung 6 28 Ergebnisse der TDLAS Messungen f r die Kompressio Linie zeigt den Zylinderdruckverlauf 100 Auf Basis der im Verlauf der ersten Messungen gewonnenen Erkenntniss Messungen der in Abbildung 5 9 gezeigte Zylinderring aus Stahl TDLA der im Gegensatz zum ersten Aufbau die M glichkeit bietet vers geometrien und materialien zu erproben Au erdem erm glicht er wie Aufbau die Ausrichtung der Glasfasern sowie eine Durchsp lung des Z schen Glasfasern und Fenster mit Stickstoff zur Vermeidung von Messte der Umgebungsluft enthaltene Wasser Zus tzlich erm glicht dieser Rin bei Betriebszust nden die f r den Einsatz des Quarzglasrings zu riskant Klopfgrenze od
58. nur einen Teil der gew nschten Merkmale auf und sind auf einen relativ kleinen Verstellbereich begrenzt Des Weiteren lassen sich mit ihnen die Reibungsverluste im Ventil trieb nicht verringern da durch die zus tzlich verbauten Komponenten eher h here Rei bungsverluste zu erwarten sind Hier bieten hydraulisch mit und ohne Nockenwelle oder elektromechanisch bet tigte Ventilhubsysteme ohne Nockenwelle die weitreichendsten Frei heiten bzgl der Ventileinstellung da neben den Steuerzeiten und Ventilh ben auch das Ven tilhubprofil weitestgehend frei einstellbar ist Positiv ist weiterhin dass auf die Nockenwellen verzichtet werden kann wodurch zum einen Gewicht eingespart und zum anderen eine Viel zahl von Lagerstellen mit den damit verbundenen Reibungsverlusten vermieden werden kann Negativ wirkt sich aus dass zus tzliche Nebenaggregate zur Bereitstellung der Bet ti gungsenergie erforderlich sind und insbesondere bei der elektromechanischen Ventilsteue rung verh ltnism ig gro e und schwere Aktuatoren ben tigt werden Die Serieneinf hrung dieser Systeme ist daher nicht sicher und nicht in naher Zukunft zu erwarten 3 F r For schungsmotoren hingegen k nnten derartige Systeme jedoch interessant sein da sie eine sehr freie Wahl der Betriebsparameter erlauben ohne dass sich die Nachteile besonders auswirken w rden da in diesem speziellen Fall das Hauptaugenmerk nicht dem Gewicht oder der Effizienz des Gesamtsystems sondern der E
59. oder globaler Brennstoff berschuss zur Bildung von Ru w h rend der Verbrennung f hrt z B Dieselverbrennung schlechte Vormischung bei der Benzin verbrennung Diffusionsflammen allgemein kann neben der Chemilumineszenz auch noch die vom Ru emittierte Festk rperstrahlung Inkandeszenz beobachtet werden Im Gegen satz zur Chemilumineszenz emittiert der Ru ein kontinuierliches Spektrum mit einem tem peraturabh ngigen Maximum im infraroten Bereich Da die Intensit t der Ru strahlung im Allgemeinen wesentlich st rker als die Chemilumineszenz ist wird bei Vorhandensein von Ru das Emissionsspektrum von dessen Strahlung dominiert 30 Dies kann die Messung der Chemilumineszenz behindern da auch bei Einsatz von Filtern f r die Wellenl ngen der Chemilumineszenz ein Einfluss der Ru strahlung nicht vollst ndig ausgeschlossen werden kann und der Ru zudem die Ausbreitung des durch Chemilumineszenz verursachten Lichts durch Absorption behindern kann 4 2 Elastische Streuung Die Wechselwirkung Streuung von Licht und Materie Partikeln kann zur Untersuchung motorischer Vorg nge in vielf ltiger Weise genutzt werden So kann z B die Ausbreitung und Verdampfung des Kraftstoffsprays im Brennraum mit Hilfe eines Lichtschnitts abgebildet s Abschnitt 6 3 oder das Str mungsfeld im Brennraum mit Hilfe von zugesetzten Partikeln PIV bestimmt werden Bei der Lichtstreuung muss zun chst grundlegend zwischen elastischer Rayleigh un
60. pfchen oder Feststoffpartikeln seeding Particle Image Bestimmung des Verschiebungsvektors durch Str mungsfeld Velocimetry Vergleich zweier Bilder in kurzem zeitlichen Ab stand Konzentration Tem LIF Elektronische Anregung von Atomen oder Mole peratur Mischungs Laserinduzierte k len durch Laserstrahlung und Erfassung des vorg nge Sprayver Fluoreszenz resultierenden Fluoreszenzsignals dampfung Verbren nung Sprayausbreitung Kraftstoffverdampfung Str mungs und Mischungsvorg nge Streulichtmessung Erfassung von an Partikeln gestreutem Licht Sprayausbreitung Erzeugung eines Interferenzmusters zweier ge kreuzter Teilstrahlen eines Lasers Erfassung des Streulichtsignals von Partikeln die sich durch dieses Muster bewegen und Auswertung der Sig nalfrequenz erm glicht Bestimmung der Partikel geschwindigkeit Durchstrahlung eines Gasgemisches mit Licht Schlierenmesstechnik und Erfassung der durch Dichtegradienten im Gas hervorgerufenen Schlierenmuster LDA Laser Doppler Ane mometrie Lokale Str mungs geschwindigkeit und Str mungsrichtung Erzeugung eines Interferenzebenen Musters im Schnittvolumen zweier gekreuzter Teilstrahlen PDA eines Lasers und Erfassung des Streulichtsignals Str mungs Phasen Doppler sich hindurchbewegender Partikel mit Hilfe von geschwindigkeit und Anemometrie zwei Detektoren an verschiedenen Positionen Tropfengr e Durch unterschiedliche Phasenlage des Signals kann der T
61. sowie dem bekannten H C Verh ltnis des Kraftstoffs ROZ 95 Ersatz H C 2 1066 in prozentuale Anteile der Ein spritzmenge umrechnen lassen 6000 39 5600 5200 HC Abgaskonzentration Unverbrannter Kraftstoffanteil 4800 eff Mitteldruck 4400 50 Umsatzpunkt 4000 3600 3200 2800 2400 HC Konzentration im Abggas ppm unverbrannter Kraftstoffanteil 2000 1600 eff Mitteldruck bar 50 Umsatzpunkt KW 1200 800 320 310 300 290 280 270 260 250 240 Einspritzzeitpunkt KW Abbildung 6 18 CH Emissionen in Abh ngigkeit vom Einspritzzeitpunkt 152 6 3 Einspritzuntersuchungen Die Ergebnisse sind ebenfalls in Abbildung 6 18 dargestellt und zeigen dass auch bei an sonsten stabiler Verbrennung noch etwa 6 0 bis 6 5 der eingespritzten Kraftstoffmenge nicht umgesetzt werden Der pl tzliche starke Anstieg der Emissionen f r die Einspritzung bei 240 KW ist prim r auf eine sehr instabile Verbrennung zur ckzuf hren wie aus den brigen Indizierdaten hervorgeht und aufgrund der abrupten nderung nur zu einem gerin gen Teil auf unverbrannten Kraftstoff im Feuersteg Die gezeigten Werte erreichen zwar nicht die o g rechnerisch abgesch tzten Kraftstoffmengen bei optimaler homogener Durchmi schung zu Kompressionsbeginn jedoch ist hierbei zu ber cksichtigen dass keine Informati onen zur Durchmischung vorliegen und z B bei einer Saugrohreinspritzung mit
62. und ein gere geltes Abblaseventil einen konstanten Ansaugdruck einige Millipar ber dem Umgebungs druck zur Verf gung stellt um so den gefundenen HCClI Betriebspunkt zu stabilisieren Des Weiteren sollte sich mit Hilfe dieser Regelung die einen Ansaug berdruck von bis zu 200 mbar zul sst der HCCI Betriebsbereich erweitern lassen da durch einen erh hten An saugdruck h here Kompressionsenddr cke m glich sind was wiederum eine Verringerung der AGR Rate zul sst Dies ist jedoch noch nicht erprobt worden Die Regelung erwies sich im Rahmen anderer nachfolgender Projekte als u erst hilfreich da in Kombination mit der Ansaugluftvorw rmung eine genaue Kontrolle des Ansaugluftzustands erm glicht wird F r zuk nftige Messungen im HCCI Betrieb sollte daher zun chst der nutzbare Betriebsbereich durch systematische Variation von Ansaugdruck Ansaugtemperatur AGR Rate und im Betrieb mit Stahldummys ermittelt werden und anschlie end in einem m glichst stabilen Betriebspunkt durch Wechsel auf Glasbauteile deren Einfluss auf den Betrieb ermittelt wer den Abschlie end kann so ein sicherer Betriebsbereich f r die Verwendung der Glasbautei le ermittelt und f r Messungen verwendet werden 6 2 Messungen in der Vorz ndung Da wie bereits zu Beginn des Kapitels als auch in Abschnitt 2 2 3 beschrieben ein vielver sprechender Ansatz zur Umsetzung eines ber einen gro en Lastbereich einsetzbaren HCOCI Brennverfahrens in der Verwendun
63. verschieben mit dem Ziel die Fremdz ndung letztendlich auszuschalten zu k nnen sobald der Motor sich im Selbstz ndbetrieb befindet Obwohl bei einigen Betriebspunkten insbesondere bei 30 Drosselklappen ffnung und Ein lassventilh ben zwischen 1 2 und 1 6 mm mit Z ndfunkenunterst tzung eine deutlich stabi lere Verbrennung und eine weitere Verlagerung des ZZP zu sp ten Kurbelwinkeln als in der ersten Versuchsreihe erzielt werden konnte gelang es nicht die Z ndfunkenunterst tzung auszuschalten ohne dass die Verbrennung mehr oder weniger augenblicklich aussetzte Da die Verschmutzungen im Brennraum in dieser Versuchsreihe deutlich geringer ausfielen und das Betriebsverhalten bei einigen Betriebspunkten mit h herer Ansaugluftmenge deutlich verbessert war wurde gefolgert dass durch die Erh hung der Ansaugluftmenge die Erh hung der K hlwassertemperatur und der Verwendung einer recht hohen Zwischenkompres sion sowohl die Z ndf higkeit als auch die Gemischaufbereitung deutlich verbessert werden 128 6 1 Versuche zum HCCl Betrieb konnten aber immer noch nicht ausreichend waren um den HCCl Betrieb ohne Z ndfunken unterst tzung zu realisieren In der dritten Versuchsreihe wurde daher der Ansatz verfolgt die Temperatur der Ladung sowie ihre Durchmischung weiter zu steigern um Bedingungen f r die Selbstz ndung und einen guten Ausbrand zu erzeugen Einen wichtigen Beitrag zu diesem Ziel leistete die M g lichkeit die Dreh
64. von Tropfen untereinander Kollision erforderlich sein Somit m ssen das Modell f r die Gasphase und das Spraymodell gekoppelt werden wodurch insgesamt eine sehr komplexe Simulation entsteht 4 37 Abbildung 2 17 zeigt einen Vergleich zwischen simulierter und experimentell visualisierter Einspritzung am Beispiel des optischen Motors 36 Sobald das numerische Modell erstellt und unter Zuhilfenahme experimenteller Ergebnisse optische Messungen wie z B PIV und LIF oder Druckverlaufsmessungen im Saugrohr so wie theoretischer Betrachtungen Randbedingungen festgelegt wurden kann eine Simulation vorgenommen werden Die Ergebnisse sollten wo immer m glich mit Messergebnissen verglichen werden um die Resultate der Simulation durch Kalibrierung des Modells zu einer m glichst guten bereinstimmung mit den realen Verh ltnissen zu bringen Wenn von einer guten Abstimmung zwischen Experiment und Simulation ausgegangen werden kann k nnen mit Hilfe der Simulation verschiedene Varianten des Verfahrens im Hinblick auf die Erf llung der Aufgabenstellung untersucht werden um die erfolgversprechendsten Verbesserungsan s tze f r das Experiment zu identifizieren Nach Abschluss der Experimente sollten die Er 51 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren gebnisse wiederum verglichen werden um die bereinstimmung zwischen vorhergesagtem Verhalten und experimentell erzielten Daten zu berpr fen Somit lassen sich durch die An wendung
65. welches als das Verh ltnis des vor der Verdichtung im gesamten Zylinder vorhandenen Volumens Vi bestehend aus dem Hubvolumen V und dem Totraumvolumen V zum am Ende der Verdichtung noch ver bleibenden Volumen V V definiert ist Wie aus den Gleichungen 2 1 2 2 sowie 2 3 deut lich wird spielt das Verdichtungsverh ltnis eine entscheidende Rolle f r den Wirkungsgrad da mit steigendem e auch der Wirkungsgrad zunimmt Bei der praktischen Umsetzung im Motor kann das Verdichtungsverh ltnis jedoch nicht beliebig gesteigert werden da es zum einen durch die zul ssigen Materialbelastungen begrenzt wird und zum anderen bei Otto motoren durch die mit der Verdichtung einhergehende Temperaturerh hung bei zu hohen e eine unkontrollierte Selbstz ndung von Teilen des Kraftstoff Luft Gemisches auftreten kann Dieses so genannte Klopfen f hrt durch unkontrollierte sehr schnelle Verbrennung und den hiermit einhergehenden starken Druckanstieg noch vor Erreichen des OT zu erh hten me chanischen und thermischen Belastungen erh hten Schallemissionen und bei dauerhaftem Auftreten zu Motorsch den Im Druckverlauf kann das Auftreten von Klopfen anhand eines charakteristischen Zackenmusters des Drucksignals in der N he des Z nd OT ZOT er kannt werden das durch die Reflektion der durch das Klopfen hervorgerufenen Druckwellen an den Brennraumw nden hervorgerufen wird Zwar kann das Klopfen durch die chemischen Eigenschaften des Kraf
66. werden da sich beim Betrieb der Kolben durch seine Tr gheit und das Lagerspiel sowie W rmedehnung im OT weiter an die Ventile ann hern kann als dies beim Testen der Fall ist 187 Anhang C Fluoreszenzmessungen an Kraftstoffproben Da es wie u a in Abschnitt 5 3 beschrieben zu Verunreinigungen der Kraftstoffe in konven tionellen Kraftstoffanlagen kam wurden zahlreiche Kraftstoffproben im Fluoreszenzspektro meter untersucht um die Quellen der Verunreinigungen einzugrenzen Die in Tabelle C 1 aufgelisteten Auswahl von Kraftstoffproben diente hierbei zur Ermittlung des Einflusses der Umlaufzeit in der Kraftstoffanlage sowie eines m glichen Schmier leintrags Abbildung C 1 Abbildung C 2 und Abbildung C 3 zeigen hierbei f r die Proben die eine Stunde im Konven tionellen Kraftstoffsystem umgelaufen sind eine deutliche Erh hung der Fluoreszenzintensi t t bei Anregung mit 248 266 und 355 nm Diese ist bei Umlauf im hochreinen Kraftstoffsys tem nicht zu verzeichnen Auch die Zumischung von Schmier l ruft wie in Abbildung C 4 Abbildung C 5 und Abbildung C 6 gezeigt eine signifikante Erh hung der Fluoreszenzintensi t t hervor so dass davon ausgegangen werden kann dass beide Einfl sse zur Verunreini gung des Kraftstoffes beitragen Tabelle C 1 Zusammensetzung Behandlung Anregungswellenl ngen und Probennummern der in Abbildung C 1 bis Abbildung C 6 gezeigten Fluoreszenzspektren 80 Anregungs wellenl nge nm 248 P
67. wie bei Verwendung der konventionellen Detektionsoptik Insgesamt l sst sich festhalten dass die Nachweisgrenze f r Formaldehyd durch LIF bei Verwendung der Endoskope wesentlich h her liegt als bei Verwendung konventioneller Optik Aus diesem Grund wurde die Lichtschnittoptik berarbeitet 23 und eine f r die Anregung von Formalde hyd mit 355 nm optimierte Linsenanordnung entworfen Die Detektionsseite wurde ebenfalls optimiert indem die Lichtst rke des Beobachtungsendoskops vergr ert und neue Filter mit einer erh hten Transmission beschafft und erprobt wurden Insgesamt lie sich durch diese Arbeiten die einkoppelbare Laserenergie um 15 erh hen und das Signal um den Faktor 2 7 142 6 2 Messungen in der Vorz ndung steigern Die so verbesserten Endoskope wurden u A f r Messungen an einem serienna hen Vollmotor 23 an einem weiteren Einzylindermotor 15 sowie f r die im folgenden Ab schnitt 6 2 3 beschriebenen Messungen im HCCI Betrieb eingesetzt 6 2 3 Endoskopische Messungen im HCCI Betrieb Unter Verwendung der verbesserten Endoskope wurden auch im HCCI Betrieb Messungen durchgef hrt Hierbei wurden sowohl in einem fremdgez ndeten Betriebspunkt ohne Zwi schenkompression als auch im reinen HCCIl Betrieo OH Chemilumineszenzmessungen durchgef hrt Im HCCI Betrieb wurde anschlie end auch CH gt O LIF gemessen Die Be triebsparameter und Druckverl ufe beider Betriebspunkte sind in Abbildung 6 10 dargestellt 35 1
68. zus tzlich eine Vielzahl weiterer Komponenten in stalliert werden um eine kontrollierte Versorgung des Motors mit allen betriebsrelevanten Medien zu gew hrleisten sowie um die Messtechnik zu erg nzen Eine bersicht der Hauptkomponenten ist in Abbildung 5 1 gegeben wobei eine Aufschl sselung in zugekaufte angepasste und vollst ndig selbst entwickelte Systemkomponenten vorgenommen ist Ba sierend auf dieser bersicht sollen in den folgenden Abschnitten die einzelnen Systeme in ihrem Aufbau und ihrer Funktion sowie ihre Anbindung an andere Teilsysteme n her erl u tert werden gg Mm EEE HE IE IE HE HE HE DE HH FE A HE HH HH HH EHEN HN HH A HN A HH AH A HN N HAN NH HF N HH HE N HM A HN N HF HH A HN HH A HE HEN N HF HE agp Pa BERUHIGUNGSFASS UNTERDRUCK N DRUCKREGLER VENTIL T a E IT jnen BE D MAGNET ROSSEL VENTIL UMSCHALTVENTIL NIEDERDRUCK DREHKOLBEN nF KRAFTSTOFF Z HLER K ANLAGE a Zi LUFT ANSAUGDRUCK SEITENKANAL REGLER VERDICHTER S g A HOCHDRUCK KRAFTSTOFFANLAGE c He SPIEGEL _ HALTER DATENERFASSUNG UND PR FSTANDSSTEUERUNG Ki KAMERA KURBELGEH USE ABSAUGUNG STEUERUNG LASER D B s UND KAMERA OPTISCHER MOTOR Ser mE oe ME HE ME Hm ME HE ME A ME HE HE HA HE HH A HH HE A AN HA AAN HEN A AAN HEN A AN AN A NA A AN ANA AAN HEN AAN HEN AAN A EA AN AN ANA AN EAN EN A A EAN E E E e o na a a a a a a a a a m a a a a
69. 0 1 x 1 S 750 Y 700 j k 650 DK 3 DK 4 T a a DK 5 DK 6 DK 8 DK 10 550 DK 12 DK 16 500 DK 20 DK 25 450 DK 30 DK 40 400 3 DK 50 DK 65 Bi DK 80 DK 100 350 H 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel Abbildung E 3 Druckverl ufe im Einlass Saugrohr f r alle gemessenen Drosselklappenpositionen 1051 1050 1049 1048 1047 2 1046 1045 5 1044 DK 3 DK 4 Q DK 5 DK 6 0 1043 E DK 8 DK 10 Bw 5 1042 DK 12 DK 16 1041 DK 20 DkK 25 DK 30 DK 40 1040 DK 50 DK 65 1039 DK 80 DK 100 1038 540 480 420 360 300 240 180 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel Abbildung E 4 Druckverl ufe im Luftkessel f r alle gemessenen Drosselklappenpositionen 202 Anhang E 100 rs 80 60 40 20 O SS SS Tee EE 40 l Maximale negative Abweichung vom Einlassdruck Maximale positive Abweichung vom Einlassdruck Maximale negative Abweichung vom Luftkesseldruck Maximale positive Abweichung vom Luftkesseldruck Maximale Abweichung vom Mittelwert mbar N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Drosselklappenposition Abbildung E 5 Gegen berstellung minimaler und maximaler Abweichungen v
70. 01_H_248 Iso Oktan Rein Fassware 266 P0O1 H 266 355 P01_H_355 248 P03_A_248 266 P03_A_266 355 P03_A_355 248 PO6_A_248 266 PO6_A_266 355 PO6_A_355 248 P0O7_D_248 266 P07_D_266 355 P07_D_355 248 P10 _A 248 266 P10 _A 266 355 P10_A_355 Proben Nummer Probe Zusammensetzung und Behandlung PRF7DO frisch gemischt aus Fassware keine weitere Behandlung Probe als Referenz PRF7DO frisch gemischt aus Fassware anschlie end 1 h Umlauf in konventioneller Kraftstoffanlage Iso Oktan Rein Fassware 1 Schmier l zugemischt PRF7DO frisch gemischt aus Fassware anschlie end 1 h Umlauf in hochreiner Kraftstoffanlage 188 Anhang C 1 600 000 1 400 000 PRF70 frisch gemischt Referenz 1 200 000 PRF 70 1 h Umlauf in konventioneller Hochdruckanlage PRF70 1 h Umlauf in hochreiner Hochdruckanlage 1 000 000 800 000 600 000 Fluoreszenzintensit t counts 400 000 200 000 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 Wellenl nge nm Abbildung C 1 Fluoreszenzspektren von PRF70 nach Anregung mit 248 nm Vergleich der Spektren von PRF70 in frisch gemischtem Zustand und nach jeweils einer Stunde Umlauf im konventionellen sowie im hochreinen Hochdruckkraftstoffsystem 1 600 000 1 400 000 PRF70 frisch gemischt Referenz 1 200 000 PRF70 1 h Umlauf in konventioneller Hochdruckanlage PRF70 1h Umlauf in hochreiner Hochdruckanlage 1 000 000 800 000 600 000 400 000 Fluore
71. 1 Dies f hrt insbesondere bei Serienmotoren zu Prob lemen da das Platzangebot hier u erst begrenzt ist und so nur miniaturisierte Optiken ein gesetzt werden k nnen bei denen besondere Anstrengungen unternommen werden m s sen um die Qualit t und Signalausbeute konventioneller Systeme zu erreichen 23 G nsti ger ist die Situation bei Forschungsmotoren mit gro en optischen Zug ngen da hier kon ventionelle optische Messtechniken sehr variabel eingesetzt werden k nnen allerdings mit dem Nachteil dass diese Motoren nicht in vollem Umfang den Leistungsbereich von Serien motoren abdecken k nnen und der Wandw rme bergang ver ndert ist s hierzu auch Kapi tel 3 2 5 Numerische Methoden Numerische Modelle werden heute in allen Bereichen der Motorenentwicklung in gro em Umfang angewendet Hierzu z hlen u a Bauteilsimulationen mit Hilfe der Finite Elemente Methode FEM zur Verbesserung der Festigkeit und zur Gewichtseinsparung Schwin gungsanalysen des Gesamtmotorsystems sowie Str mungssimulationen Computational Fluid Dynamics CFD f r den K hlwasserkreislauf das lversorgungssystem und die im Rahmen dieser Arbeit besonders interessanten Ansaug Verbrennungs und Abgassysteme Bei der Str mungssimulation f r das Ansaug und Abgassystem kommen in sehr hohem Umfang w hrend des gesamten Entwicklungsprozesses eindimensionale Ladungswechsel simulationen zum Einsatz mit deren Hilfe das Zusammenspiel aller Komp
72. 2 3 Zur Untersuchung von Temperaturinnomogenit ten die durch W rme bertra gung an den Brennraumw nden sowie durch Konvektion hervorgerufen werden wurden Messungen am optischen Motor vorgenommen Hierzu wurde die temperaturabh ngige Fluoreszenz von Toluol bei einer Anregungswellen l nge von 248 nm KrF excimer Laser genutzt Das Toluol wurde hierbei gemischt mit 50 Iso Oktan mit Hilfe der A D se in das Einlassberuhigungsvolumen eingespritzt um eine m glichst homogene Mischung im Brennraum zu erzielen Der Lichtschnitt wurde mit Hilfe des Umlenkspiegels durch das Kolbenglas in die Brennraummitte eingekoppelt Die Mes sung des Fluoreszenzsignals erfolgte ber den Glasring Zur Vermeidung von Sauerstoff quenching wurden die Untersuchungen mit Stickstoff an Stelle von Luft durchgef hrt und der Motor nur geschleppt Nach Hintergrund und Anregungsleistungskorrekturen wurde die H he und Verteilung von Temperaturfluktuationen einzelner Zyklen wie in Abbildung 6 26 gezeigt ber die Division von Einzelbildern durch das Mittelwertbild aller Aufnahmen ermit telt 162 6 4 Weitere Messungen mit verschiedenen Techniken spark plug dummy 50 CA T 534 K MELE un Exhaust 30 CA T 654 K Intake Exhaust ni Pu m TDC T 810K Abbildung 6 26 Einzelzyklusergebnisse der Messungen von Temperaturinnomogenit ten mittels Toluol LIF im Brennraum des optischen Motors 97 Die Ergebnisse zeigen dass im UT nur gering
73. 35 Zur Unterdr ckung unerw nschter St rsignale aufgrund von Laserstreulicht Flammeneigen leuchten Ru leuchten oder unerw nschten Bereichen des Fluoreszenzspektrums wird in der Regel auf der Detektionsseite ein speziell auf die Emissionswellenl nge der zu untersuchen den Spezies abgestimmter Filter verwendet der im Wesentlichen nur das gew nschte Emis sionssignal transmittiert Je nach Intensit t des Signals kann es n tig sein der Kamera einen einstellbaren Verst rker vorzuschalten der das ankommende Signal verst rkt und so eine Auswertung erst m glich macht 33 Ein Vorteil der o g aktiven Methoden besteht darin dass Informationen aus einer genau definierten Ebene im Brennraum gewonnen werden k nnen so dass z B auch ein Vergleich mit numerischen Berechnungen m glich ist oder die so gewonnenen Daten als Grundlage zur Definition von Ausgangsbedingungen f r Simulationsrechnungen verwendet werden k nnen Auch ist die Gewinnung von quantitativen Ergebnissen wie z B Temperaturen und Konzentrationen m glich wodurch ein Vergleich unterschiedlicher Betriebszust nde oder der Abgleich mit numerischen Daten m glich wird Nachteilig wirkt sich aus dass aufgrund der erforderlichen Lichtquelle zus tzlich zum Beobachtungszugang meist ein weiterer Zu gang zum Brennraum geschaffen werden muss der in der Regel orthogonal zum Detekti 45 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren onszugang ausgerichtet sein muss 3
74. 400 440 480 520 560 600 640 Wellenl nge nm Abbildung 5 15 Fluoreszenzspektrum von PRF70 bei Anregung mit 355 nm und Vergleich mit frischen Kraftstoffproben 80 Bei der in Abbildung 5 16 und Abbildung 5 17 gezeigten neu konstruierten hochreinen Kraftstoffanlage wurde daher aufgrund der o g Probleme mit Ausnahme einiger Dichtungen aus Kalrez und Teflon auf den Einsatz von Kunststoffen verzichtet Die F llstandanzeigen bestehen aus Glas und s mtliche Leitungen sowie Beh lter sind aus Edelstahl gefertigt so dass keine Kohlenwasserstoffe von den Materialien abgegeben oder aufgenommen werden k nnen An Stellen an denen nicht auf Dichtungen verzichtet werden konnte Abdichtung der F llstandanzeigen und Stopfbuchsenpackung der Pumpe wurden Kalrez und Teflon verwendet welche ebenfalls keine unerw nschten Kohlenwasserstoffe aufnehmen oder ab geben Des Weiteren wurde die maximale F rderleistung der Pumpe mit 6 1 l h nur etwa doppelt so hoch wie der maximal zu erwartende Kraftstoffbedarf des Motors Betrieb bei 3000 min A 0 8 PRF70 Liefergrad 1 gew hlt um unn tigen Kraftstoffumlauf zu ver meiden Die in Abbildung 5 15 ebenfalls gezeigten Messungen der Kraftstofffluoreszenz nach Umlauf in der neuen Anlage zeigen im Vergleich zur frischen Mischung aufgrund der 94 5 3 Kraftstoffanlagen Verbesserungen auch nur eine geringe Zunahme der Fluoreszenz die aber auch durch Messungenauigkeiten hervorgerufen worden sein ka
75. ANKANSCHL SSE Abbildung 5 19 Niederdruck Kraftstoffanlage Wie auch das Hochdrucksystem verf gt das Niederdrucksystem ber vier Edelstahl Kraftstofftanks zur Verwendung unterschiedlicher Kraftstoffe Der Zulauf zur Pumpe erfolgt ber eine umsteckbare Rohrbr cke vom gew nschten Tank und kann ohne Filter erfolgen da Partikel bis zu einem Durchmesser von 2 mm die Pumpe passieren k nnen Lediglich im Zulauf zur Einspritzd se befindet sich ein Metallsinterfilter um diese vor Verschmutzungen zu sch tzen Da bei Richtungsumkehr der Membran auch bei dieser Pumpe ein kurzzeitiger 98 5 4 Injektoren Druckabfall eintritt ist auch das Niederdrucksystem mit einem Druckspeicherbeh lter verse hen um Druckschwankungen und Pulsationen w hrend der Einspritzung zu d mpfen Dieser sollte wie auch der D mpfer im Hochdrucksystem t glich vor Inbetriebnahme der Anlage bel ftet werden um eine vollst ndige F llung mit Luft im drucklosen Zustand zu erreichen und so reproduzierbare D mpfungseigenschaften zu erzielen Um den Einspritzdruck auch elektronisch erfassen zu k nnen ist ein Drucksensor Freescale Typ MPX5700 0 7 bar 0 2 4 7 V nahe der Einspritzd se angeordnet dessen Messwerte mit Hilfe des IndiCom Rechners erfasst werden k nnen Auch k nnen so Resonanzeffekte die trotz Verwendung eines Metallsinterfilters zur Schwingungsd mpfung bei bestimmten Kombinationen von Ein spritzdauer und Drehzahl nicht vollst ndig ausgeschlossen we
76. Abgasdruck an der Turbine zur Verf gung zu ha ben Bei h heren Lasten hingegen muss in diesem Fall ein Teil des Abgases an der Turbine vorbeigeleitet werden mit Hilfe des sog wastegate da sonst ein zu hoher Ladedruck auf gebaut w rde Andere Varianten bestehen z B in der Verwendung mehrerer Turbolader variabler Turbinengeometrien Variable Turbine Geometrie VTG oder in elektrisch unter st tzten Ladern die die Beschleunigung des Laufzeugs unterst tzen oder nur kurzfristig zur Unterst tzung zugeschaltet werden Auch beim optischen Motor wurde ein elektrisch betrie bener Verdichter in der Ansaugstrecke verwendet allerdings nicht prim r zum Erzielen hoher Ladedr cke sondern zur Regelung des Ansaugdruckes auf ein konstantes Druckniveau Ein besonders wichtiges Verfahren zur Verringerung von Ladungswechselverlusten und zur flexibleren Gestaltung der Verbrennungssteuerung ist die Direkteinspritzung W hrend diese bei Dieselmotoren bereits seit Beginn der Entwicklung eingesetzt wird findet sie bei Ottomo toren erst in den letzten Jahren zunehmend Anwendung 9 Durch sie lassen sich die La dungswechselverluste gering halten da die Laststeuerung zumindest theoretisch ohne Drosselklappe und die damit verbundenen Verluste erfolgen kann Die Leistung kann somit ausschlie lich ber die eingespritzte Kraftstoffmenge geregelt werden Praktisch ist die Leis tungsregelung nur ber die Einspritzmenge jedoch schwierig zu realisieren da i
77. Abschnitt 6 1 2 beschriebenen Versuche ermittelten Parameter verwendet F r alle Messungen kam eine CCD Kamera von Typ LaVision Imager Intense mit einem vor geschalteten Bildverst rker LaVision VC IRO P43 S20 sowie das bereits in den vorherge henden Versuchen verwendete UV Objektiv UV Nikkor f 105mm 174 5 zum Einsatz F r die Anregung mit 355 nm im Rahmen der CH gt O LIF wurde ebenfalls der bereits fr her ver wendete Nd YAG Laser BMI AL 152 C genutzt und ber einen Strahlf hrungsarm in das bereits in Abschnitt 6 2 2 genannte und im Anschluss an die dort beschriebenen Messungen verbesserte kontinuierliche Lichtschnittendoskop eingekoppelt Zur Detektion kamen das verbesserte Beobachtungs Endoskopsystem s Abschnitt 6 2 2 sowie der Bandpassiilter 435 17 5 nm zur Anwendung Die Anordnung der Endoskope im Zylinderkopf sowie im Endoskopring ist in Abbildung 6 11 dargestellt Zur Synchronisation von Motor Laser und Kamera stand f r diese Messreihe erstmals das bereits bei der Beschreibung der HCCI Versuche in Abschnitt 6 1 2 erw hnte Triggereinheit LaVision PTU zur Verf gung mit dem auch bei einer Drehzahl von 2000 min der Betrieb des Lasers in einem f r seinen Betrieb optimalen Frequenzband von 10 0 5 Hz m glich ist Hierbei wird durch die Triggereinheit die Triggerfrequenz des Lasers um maximal 0 5 Hz so variiert dass zum gew nschten und durch die ETU vom Motor vorgegebenen Aufnahmezeitpunkt s Abschnitt 5 2 1 eine m g
78. An C sauglufttemperatur Verbesserung der In PIZZeNpUnK Keine nderung Durchmischung KW S beim Einstr men Einspritzmenge 13 3 bis Notwendig zur Ein 11 6 bis Notwendig zur Ein mg ES 17 4 stellung von A 14 1 stellung von A Luftverh ltnis A 1 10 bis 47 1 19 angest f r Bestes Betriebsver H jog moderate Druckans 1 15 T ee tiegsrate i Fremdz ndzeitpunkt 50 bis x 50 bis Keine Fremdz n KW SEINSLANOSIING dung mehr n tig z ndung 6 1 2 Variation der Betriebsparameter und Anpassungen des Pr fstands Die ersten Versuche zur Realisierung eines Selbstz ndbetriebspunktes wurden mit einer Drehzahl von 1200 min durchgef hrt da sich hierbei bei einem Triggersignal pro Zyklus die 124 6 1 Versuche zum HCCl Betrieb f r den Betrieb von Nd YAG Lasern typische Auslegungs Wiederholrate von 10 Hz einstellt Die Versuche wurden mit einer Einlassspreizung von 120 KW und einer Auslassspreizung von 125 KW begonnen Um die Zwischenkompression und die hiermit verbundene Abgas r ckf hrrate AGR sowie die Temperatur in der Hauptkompression zu steigern wurde im Laufe der Versuche die Einlassspreizung auf 140 KW und die Auslassspreizung auf 170 KW erh ht Die Einspritzung wurde in allen F llen noch in der Ansaugphase bei 240 KW vorge nommen um eine gute Homogenisierung von Kraftstoff Luft und Abgas zu erreichen Als Kraftstoff kam PRF70 zum Einsatz wobei durch Messung mit der A Sonde versucht wurde ein konsta
79. Aufbau eines optisch zug nglichen Einzylinder Viertaktmotors und charakterisierende Messungen Von der Fakult t f r Ingenieurwissenschaften Abteilung Maschinenbau der Universit t Duisburg Essen zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR INGENIEUR genehmigte Dissertation von Dennis Bensing aus Herne Referent Prof Dr Christof Schulz Korreferent Prof Dr Sebastian Kaiser Tag der m ndlichen Pr fung 10 Dezember 2013 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand w hrend meiner T tigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut f r Verbrennung und Gasdynamik der Universit t Duisburg Essen Herzlich bedanken m chte ich mich bei Herrn Prof Dr Christof Schulz f r das mir entgegengebrachte Vertrauen seine kontinuierliche Unterst tzung und zahlreiche wertvolle Ratschl ge ber den gesamten Zeitraum meiner T tigkeit Weiterhin bedanken m chte ich mich bei Herrn Prof Dr Sebastian Kaiser f r die bernahme des Koreferats meiner Arbeit sowie f r zahlreiche Anregungen und fachliche Diskussionen die sehr zum Gelingen der vorliegenden Arbeit beigetragen haben Mein besonderer Dank gilt meinen Kolleginnen und Kollegen J rg Albrecht Natascha Schl sser Beate Endres Birgit Nelius Dieter Hermanns Ludger Jerig sowie dem gesamten Team der mechanischen Werkstatt f r ihre kompetente und verst ndnisvolle Unterst tzung bei allen technischen Fragestellungen m gen sie auch noch so ungew hnlich gewesen
80. Dieselmotoren k nnen grunds tzlich sowohl als Zweitaktmotoren als auch als Viertaktmotoren ausgef hrt werden Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit vorge nommenen Betrachtungen und Untersuchungen beziehen sich allerdings ausschlie lich auf Viertaktmotoren so dass auf die speziellen Merkmale des Zweitaktverfahrens nicht n her eingegangen werden soll Das Arbeitsspiel eines Viertaktmotors l uft gem der in Abbildung 2 1 dargestellten vier Einzelschritte Takte ab wobei sich die grundlegenden Vorg nge Ansaugen Verdichten Verbrennung Expansion und Ausschieben bei Otto und Dieselmotor nicht unterscheiden jedoch wie in Abbildung 2 1 ebenfalls dargestellt die Art der Kraftstoffzufuhr und der Ver brennung unterschiedlich sind Auf die Details der Kraftstoffzufuhr Gemischbildung und Ver brennung sowie der hiermit verbundenen Schadstoff Entstehungsmechanismen wird im nachfolgenden Kapitel n her eingegangen OT UT y OT UT y Gleichraumprozess Gleichdruckprozess Seiliger Prozess Abbildung 2 2 Ideale thermodynamische Vergleichsprozesse adaptiert aus 4 In Abbildung 2 2 sind die zugeh rigen idealisierten thermodynamischen Vergleichsprozesse dargestellt bei denen angenommen wird dass kein Stoffaustausch mit der Umgebung statt findet und die W rme von au en durch die W nde des Brennraumes zu bzw abgef hrt wird F r den idealen Otto Prozess kann hierbei der Gleichraumprozess verwendet werden bei dem nach der isentropen
81. HCCI Verbrennung ist deutlich eine r umlich wesentlich breiter verteilte Z ndung zu erkennen Allerdings schwankt die Intensit t des Sig nals bei gleichem Messzeitpunkt recht stark Dies ist konsistent mit einer st rkeren Schwan kung der Verbrennungsschwerpunktlage von Zyklus zu Zyklus Varianz 25 als es mit Fremdz ndung Varianz 17 Zudem l uft die Verbrennung sehr schnell ab wodurch bei gegebenem Aufnahmezeitpunkt wechselweise Signal eher vom Anfang bzw Ende der Ver brennung geringe Intensit t der zeitlichen Mitte der Verbrennung hohe Intensit t erfasst wird 146 6 2 Messungen in der Vorz ndung Fremdgez ndeter Betrieb SS 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 13 Ablauf der Verbrennung anhand gemittelter Bilder der OH Chemilumineszenz im fremdgez ndeten Betrieb und im HCClI Betrieb Abbildung 6 14 zeigt dass auch in der Zwischenkompression ein verh ltnism ig starkes homogen verteiltes Chemilumineszenzsignal zu beobachten ist obwohl hier keine Einsprit zung erfolgt Das Signal kann nur in einem Bereich von ca 395 bis 370 KW also kurz vor dem Zwischenkompressions OT detektiert werden Aufgrund der homogenen Verteilung und der fehlenden Voreinspritzung kommt als Quelle nur unverbrannter Kraftstoff aus dem vor hergehenden Zyklus in Betracht der sich in der Expansionsphase gut mit dem verbleibenden Abgas durchmischt und durch den von der Zwischenkompression hervorgerufenen Te
82. Kompressionsphase und Verbrennung 137 6 Messungen Die trotz der Mittelung noch recht stark schwankenden Werte sind darauf zur ckzuf hren dass zum Zeitpunkt der Messungen noch keine der z B in Abschnitt 6 1 3 beschriebenen Ma nahmen zur Stabilisierung des Motorbetriebs umgesetzt waren so dass sich bei jeder Messreihe mehr oder weniger gro e Schwankungen der Betriebsparameter einstellen konn ten Derartige Schwankungen sollten in eventuellen zuk nftigen Messungen aufgrund der beschriebenen Abhilfema nahmen nur noch in stark abgeschw chter Form auftreten Eine weitere Ma nahme zur Verbesserung der Messergebnisse kann z B in der Verwendung von hochrepetitiven Messungen innerhalb eines Zyklus bestehen Z ndzeitpunkt 110 26 100 Zylinderdruck 90 Intensit t Messwerte 22 80 Intensit t N herung 20 I 5 94 94 77 eve z 1 KW 7 38 gt mitz A 60 8 33 50 Intensit t w E 40 Zylinderdruck bar 30 20 10 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 Kurbelwinkel Abbildung 6 8 Intensit t der CH gt O LIF w hrend der Kompression und der Verbrennung im horizontalen Lichtschnitt Analoge Untersuchungen wurden auch in der Zwischenkompression nach der Voreinsprit zung durchgef hrt allerdings ohne dass CH O eindeutig nachgewiesen werden konnte Dies impliziert dass aufgrund des relativ geringen Druck und Temperaturniveaus in der Zwi schenkompression die Konzentration von
83. Motor nur ein kleiner Teil des Einstellbereichs sinnvoll f r die Regelung verwendet werden kann da bereits bei einer ffnung der Drossel klappe von 10 Anteil am maximalen ffnungswinkel von 90 85 der maximalen An saugluftmenge erreicht sind Der Zusammenhang zwischen Drosselklappen ffnungswinkel und Durchflussmenge sowie dem Saugrohrdruck ist in Abbildung E 6 dargestellt Die An steuerung und Regelung der Drosselklappenstellung erfolgt ber den INCA Rechner Abbildung 5 13 Wie bereits bei der Beschreibung des Beruhigungsvolumens erw hnt ergeben sich neben der Durchflussregelung durch den Einsatz der Drosselklappe zus tzliche Vorteile bez glich der D mpfung von Ansaugdruckpulsationen da durch die Querschnittverringerung an der Drosselklappe noch vor dem Beruhigungsvolumen eine erste D mpfung der Druckst e er folgt Dieser Zusammenhang wird anhand der in Abbildung 5 28 gegen bergestellten D mp fung Abnahme der Amplituden des Saugrohrdrucks zum Luftkesseleinlassdruck bis zum Luftkesseleintritt deutlich da zum einen die D mpfung bei geringen Drosselklappen ffnun gen h her als bei stark entdrosseltem Betrieb ist und zum anderen auch die maximalen Druckausschl ge im Saugrohr bei angedrosseltem Betrieb geringer ausfallen s Abbil dung E 3 Der Motor sollte daher immer angedrosselt betrieben werden sofern keine ande ren Betriebsgr nde wie z B der Saugrohrdruck oder die erforderliche Ansaugluftmenge ge gen die Drosselu
84. Nutzung der gemessenen Werte auch f r andere Kraftstoffe zu erm glichen Diese bertragung ist im Rahmen der blicher weise verwendeten Kraftstoffe zul ssig da bei den hohen im D senspalt vorliegenden Rey noldszahlen ca 400 000 f r die A D se die leicht variierenden dynamischen Viskosit ten der Mischungen sowie die geringf gigen nderungen der Kraftstoffdichte keinen signifikan 102 5 4 Injektoren ten Einfluss auf die Einspritzmenge haben Allerdings sollte der Einspritzsystemdruck nicht ver ndert werden da die Einspritzmengen stark von ihm abh ngen Zur rechnerischen Ab sch tzung der Einspritzmengen wurden f r die Einspritzverl ufe abschnittsweise Funktionen angepasst welche in Anhang D zu finden sind und zur einfacheren Handhabung am Pr f stand in einer Excel Tabelle zur Berechnung der Kraftstoffeigenschaften hinterlegt sind 5 4 2 Niederdruckinjektor Zum Betrieb des optischen Motors mit Saugrohreinspritzung k nnen Saugrohreinspritzd sen an drei verschiedenen Positionen im Saugrohr eingebaut werden s Abschnitt 5 5 Hierbei handelt es sich um elektromagnetisch bet tigte Serien Einspritzd sen Siemens Typ 7506158 zum Betrieb mit niedrigen Einspritzdr cken ca 6 bar Die Versorgung der Einspritzd sen erfolgt ber das in Kapitel 5 3 2 beschriebene Niederdruck Einspritzsystem Der Anschluss sowie die Montage der Einspritzd se sind in Abbildung 5 22 dargestellt und erfolgen mit Hilfe eines Anschlussadapt
85. Quetschspalt in die Kolbenmulde w hrend des Verdichtungshubes entstehende Quetschstr mung bei die mit der Drallstr mung interagiert und so das Aufrei en des Einspritzstrahles unterst tzt Im wei teren Verlauf der Verbrennung sorgt der Drall f r eine stetige Vermischung von Verbren nungsgasen und restlicher Luft wodurch trotz der bereits genannten Ma nahmen entstan dener Ru und Kohlenwasserstoffe ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden um deren Nachoxidation bis zum Ende der Expansion zu erm glichen Hierdurch k nnen bis zu 95 der entstandenen Ru partikel innermotorisch verbrannt werden 11 18 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren Zur Erzeugung eines Kraftstoffsprays das sowohl aus sehr feinen Tr pfchen bestehen aber auch bis in die Randbereiche des Brennraums vordringen soll ist die kinetische Energie des Einspritzstrahls von entscheidender Bedeutung Um sie zu erh hen ist ein m glichst hoher Einspritzdruck n tig so dass heutige Dieselmotoren mit Einspritzdr cken von ber 2000 bar arbeiten Hierdurch kann die Anzahl der D senl cher bei gleichzeitiger Verringerung des D senlochdurchmessers erh ht werden was bereits zu einer gleichm igeren Verteilung des Brennstoffs im Brennraum f hrt Auch wird durch steigenden Einspritzdruck der Luftein trag in den Strahl erh ht so dass weniger fette Zonen im Einspritzstrahl entstehen Neben der kinetischen Energie spielt auch der Strahlkegelwinkel eine wic
86. Techniken Neben den in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Messungen wurden w hrend der Entstehungszeit dieser Arbeit zahlreiche weitere Messungen unter Federf hrung anderer Experimentatoren im Rahmen ihrer Projekte und zum Teil in Zusammenarbeit mit externen Projektpartnern durchgef hrt Da einige der in Abschnitt 5 beschriebenen technischen Ei genschaften im Rahmen dieser Projekte implementiert bzw genutzt wurden sollen einige dieser Untersuchungen zur Vervollst ndigung im folgenden kurz vorgestellt werden wobei f r detaillierte Informationen auf die jeweiligen Publikationen verwiesen wird 6 4 1 Thermophosphormessungen Zur Untersuchung von W rme bergangsprozessen im Brennraum sind Wandtemperatur messungen im Brennraum erforderlich Unter anderem k nnen zu diesem Zweck mit Selten erdmetallen dotierte keramische Materialien verwendet werden Diese werden mit Hilfe eines Bindemittels auf die Brennraumoberfl che aufgebracht und nach Trocknung mit Hilfe eines UV Laserpulses angeregt Das Abklingen der resultierenden Phosphoreszenz ist abh ngig von der Material bzw der Oberfl chentemperatur und kann mit Hilfe einer High speed Kamera erfasst und so die Oberfl chentemperatur ermittelt werden Unter Ausnutzung der guten optischen Zug nglichkeit des Brennraumdachs des optischen Motors wurde die Eignung des Materials Gd3Ga5042 Cr sowie verschiedener Bindemittel f r thermografische Messungen an den Auslassventilen erprobt
87. Verdichtung 1 2 im oberen Totpunkt OT die W rme bei konstantem Volumen isochor zugef hrt 2 3 und im Anschluss an die isentrope Expansi on 3 4 wiederum isochor abgef hrt wird 4 1 Die W rmezufuhr entspr che in diesem Fall einer unendlich schnellen Verbrennung des vorgemischten Kraftstoff Luft Gemisches F r den idealen Diesel Prozess kann der Gleichdruckprozess verwendet werden bei dem die W rmezufuhr bei konstantem Druck isobar stattfindet Dies entspr che der Verbren nung des kontinuierlich zugef hrten Kraftstoffs bei konstant gehaltenem Brennraumdruck 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren Da die beiden bisher genannten Vergleichsprozesse die realen Vorg nge im Motor aufgrund der nicht realisierbaren unendlich schnellen bzw isobaren Verbrennung nur unzureichend beschreiben wird h ufig der Seiliger Prozess verwendet bei dem die W rmezufuhr in einen isochoren Anteil 2 3 und einen isobaren Anteil 3 3 aufgeteilt wird wodurch die realen Vorg nge besser angen hert werden k nnen Die Wirkungsgrade der Vergleichsprozesse lassen sich nach den folgenden Gleichungen berechnen 4 INK Gleichraumprozess inge L 2 1 K Gleichdruckprozess enp 1 1 2 2 agi 1 1 T K 1 K 1 Seiliger Prozess Nthvp 1 ST la a EN 1 2 3 mit 4 2 4 2 C Azu q z T 2 5 n 2 2 6 P Gleichung 2 4 beschreibt hierbei das Verdichtungsverh ltnis e
88. Verz gerungsgeneratoren zu vermeiden Zusammenfassend sollte bei jedem System des Pr fstands auf eine gute Handhabbarkeit Erreichbarkeit und m glichst einfache Einbindung in das vorhandene System geachtet wer den Au erdem muss bei der Installation immer Wert darauf gelegt werden m glichst gerin ge Einschr nkungen f r die optische Messtechnik sowie die Zug nglichkeit der optischen Zug nge zu verursachen um so die Umsetzung neuer Messaufgaben nicht unn tig durch verschiedenste Systemanpassungen zu erschweren sondern diese m glichst einfach und effektiv umzusetzen 171 7 Zusammenfassung Trotz der zur Zeit stark propagierten Entwicklung von Elektrofahrzeugen werden Verbren nungsmotoren aufgrund ihrer Vorteile auch in der absehbaren Zukunft eine wichtige Rolle sowohl als Antrieb f r Kraftfahrzeuge als auch auf verschiedenen anderen Anwendungsge bieten zur Umwandlung chemisch gebundener in mechanische Energie spielen In Anbe tracht knapper werdender Ressourcen und dem allgemeinen Bestreben den Schadstoffaus sto von Verbrennungsprozessen zu verringern werden immer anspruchsvollere und spe zialisierte Untersuchungen der Verbrennungsvorg nge in Motoren erforderlich da zum einen in vielen F llen auch grundlegende Vorg nge der Verbrennung noch nicht vollst ndig ver standen sind und zum anderen auch die Leistungsf higkeit von Simulationen nicht die Abbil dung aller Details dieser Vorg nge erlaubt Daher sind auch in Zukun
89. Wellenl nge auf das Molek l trifft und so das Elektron zum bergang in den Grundzustand veranlasst Das emittierte Photon weist hierbei die gleiche Richtung und Phasenlage auf wie das einge strahlte Photon so dass koh rente Wellen entstehen 60 Dieses Prinzip wird z B auch zur Erzeugung von Laserstrahlung angewendet 64 Strahlungslose Umwandlungen aus dem angeregten Zustand bestehen neben dem bereits genannten Energietransfer zwischen unterschiedlichen Vibrationsniveaus in der Pr dissozia 66 4 3 Laserinduzierte Fluoreszenz LIF tion also dem Zerfall des Molek ls nach der Anregung sowie der Sto l schung dem sog Quenching bei dem durch Sto vorg nge mit anderen Molek len z B Sauerstoff die Anre gungsenergie abgegeben und letztendlich in W rme umgewandelt wird 64 Insbesondere das Quenching durch Sauerstoff kann bei motorischen Messungen die Pr zision und Aus wertbarkeit der Messergebnisse in hohem Ma beeinflussen da der verringernde Einfluss auf die Fluoreszenzintensit t mit zunehmendem Druck sowie steigender Temperatur w chst und in vielen F llen aufgrund unbekannter lokaler oder globaler Gaszusammensetzung schwer zu quantifizieren ist Hierdurch wird zum einen die Signalintensit t verringert was zu einem ung nstigen Signal Rausch Verh ltnis f hrt und zum anderen bei qualitativen Mes sungen zu Messfehlern durch den unbekannten Sauerstoffeinfluss f hren kann Teilweise kann dieses Problem durch den E
90. Z95 Ersatzmischung 82 iso Oktan 8 n Heptan und 10 Toluol durchgef hrt wobei keine signifikante Drehzahlabh ngigkeit erh hte Frequenz bei gleicher Einspritzdauer der Einspritzmenge festzustellen war Ab einer Einspritzdauer von ca 3 8 ms bei 2000 min ca 80 ul ES stagniert allerdings das Einspritzvolumen Zwar ist bei dieser Einspritzmenge 80 ul ES entsprechen 4 8 I h das maximale F rdervolumen der Hochdruck pumpe von 6 1 l h noch nicht ausgesch pft jedoch handelt es sich bei der Pumpe um eine einfachwirkende Kolbenpumpe so dass im R ckhub kein Kraftstoff gef rdert wird Der Kraft stoff wird in dieser Zeit aus dem Druckspeicher entnommen wodurch sich hier der System druck verringert und somit die Einspritzmenge sinkt Insgesamt verringert sich ab dieser Grenze der zeitlich gemittelte Systemdruck so stark dass keine weitere Steigerung der Ein spritzmenge mehr m glich ist Dies stellt jedoch im Normalfall keine Einschr nkung des Mo torbetriebs dar da unter im realen Betrieb nicht umzusetzenden absolut idealen Betriebs bedingungen Liefergrad 1 und maximal m glicher Ansaugdruck von 1200 mbar bei 20 C Ansaugtemperatur und somit maximalem Verbrauch mit PRF70 immer noch ein Betrieb bei 0 85 realisierbar ist s Abbildung D 4 Die Ansteuerung des Piezo Injektors A D se erfolgt mit einer Entwicklungs Endstufe vom Typ ScienLab DICU200 25C4 die eine freie Parametrierung des Einspritzverlaufs f r bis zu f nf untersc
91. Zylinderring ist am gesamten Umfang der optische Zugang zum Brennraum m g lich F r den Zylinderring existieren verschiedene Ausf hrungen s Abbildung 5 9 die je 80 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand nach angewendeter Messtechnik einen mehr oder weniger gro en optischen Zugang zum Brennraum gew hren Alle Zylinderringe weisen die gleiche Wellenkontur und H he auf welche an die Kontur des Brennraumdachs angepasst ist s Abschnitt 5 1 2 um m glichst alle Bereiche des Brennraums optisch erfassen zu k nnen Die Ringe werden mit Hilfe der Hydraulikplatte an den Zylinderkopf angedr ckt bzw abgesenkt wodurch der Ein und Aus bau der Ringe zwecks Reinigung sehr komfortabel und zeitsparend m glich ist Auch kann hierdurch leicht die Oberseite des Kolbenglases gereinigt der Brennraum inspiziert und der Zustand der Kolbenringe gepr ft werden Die Abdichtung der Zylinderringe erfolgt auf der Oberseite des Rings durch zwei O Ringe und durch einen O Ring auf der Unterseite Die O Ringe werden hierbei in Nuten eingelegt und mit Silikon fixiert um eine einfache Handha bung bei der Montage zu gew hrleisten In Abbildung 5 9 sind die verschiedenen bisher ausgef hrten Zylinderringe abgebildet Der Glasring stellt hierbei die Variante mit maximaler optischer Zug nglichkeit dar Er gew hrt einen Zugang mit einer H he von 25 mm an den Seitenfl chen und mit 36 mm am h chsten Punkt der Wellenkontur Der Ring ist aus Quarzglas mit e
92. a a a a a a m a m a a a a m a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a Abbildung 5 1 bersicht der wichtigsten Pr fstandskomponenten 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand Der optische Motor ist auf einem Kompaktpr fstand AVL 570 aufgebaut Der Kompaktpr f stand besteht aus einem Grundrahmen der zum einen eine schwingungsged mpfte Auf 70 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand spannplatte f r den Motor tr gt und zum anderen mit einem Asynchronmotor Vier Quadranten Betrieb zum Schleppen und Bremsen des Motors ausger stet ist Die Anbin dung der Elektromotorwelle an die Kurbelwelle erfolgt ber einen Drehmomentmessflansch sowie eine Kardanwelle Des Weiteren sind die Leistungselektronik des Vier Quadranten Antriebs sowie eine Konditionieranlage AVL 577 f r den K hlwasser und lkreislauf des Motors auf dem Grundrahmen untergebracht Abbildung 5 2 zeigt eine Seitenansicht der Hauptkomponenten des Kompaktpr fstands Technische Daten finden sich in Anhang A pag IC aia E a N gt GEREEIEN DA gt A Ea A lt E EN RA SPAN a FA k le BEB x fi gt T m l Br N Abbildung 5 2 Hauptkomponenten des Kompaktpr fstands Die 0 9 Komponenten erlauben den grundlegenden Betrieb des Motors und sind zur Rege lung und berwachung mit einem eigenen Steuerrechner Puma Rechner au erhalb der Messkabine verbunden Zu und ggf Abfuhr bersch ssiger elektrischer Leistung sowie die
93. ahren s Abbildung 2 6 EINLASS AUSLASS EINLASS AUSLASS EINLASS AUSLASS WANDGEF HRT LUFTGEF HRT STRAHLGEF HRT Abbildung 2 6 Gemischbildungsmechanismen direkteinspritzender Ottomotoren 9 Bei wandgef hrten Verfahren wird der Kraftstoff durch eine seitlich im Brennraum angeord nete Einspritzd se in eine speziell geformte Kolbenmulde eingespritzt Der Kraftstoff ver dampft sowohl auf der Oberfl che des Kolbens als auch w hrend der Durchmischung mit der Luft und wird durch die Ausformung der Kolbenmulde sowie ggf durch eine unterst tzende Drall oder Tumblestr mung gezielt in Richtung der Z ndkerze umgelenkt Hierdurch wird die gew nschte Kraftstoffwolke von der nicht an der Verbrennung beteiligten Luft getrennt und 15 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren eine relativ lange Zeit f r die Gemischaufbereitung zur Verf gung gestellt 9 Nachteilig ist die Benetzung der Wand mit Kraftstoff die bei unvollst ndiger Verdampfung und Verbren nung zu erh hten Kohlenwasserstoffemissionen f hren kann Weiterhin erh ht die kompli zierte Form der Kolbenoberfl che dessen Gewicht und somit die Reibungsverluste Auch die Wandw rmeverluste sowie die Klopfneigung werden durch den zerkl fteten Brennraum ne gativ beeinflusst Trotzdem sind wandgef hrte Gemischbildungsverfahren aufgrund ihrer guten Beherrschbarkeit die am weitesten verbreiteten Schichtladungsverfahren 10 Bei luftgef hrten Verfahren soll ein di
94. amten Motors und sind daher von hoher Wichtigkeit f r die Beurteilung des Gesamitprozesses F r eine genauere Beurteilung der Energieumwandlung im Brennraum ist jedoch der innere Wirkungsgrad n von besonderer Bedeutung ioni 2 12 Mp Ah Diese Gr e erlaubt einen Vergleich des real umgesetzten thermodynamischen Verfahrens und des idealen thermodynamischen Vergleichsprozess mit Hilfe des sog G tegrades na i 2 13 Nth Somit kann beurteilt werden wie gut die im Brennstoff gebundene Energie umgewandelt wird In diesem Zusammenhang spielen insbesondere die Ladungswechselverluste eine wichtige Rolle da sie zu einem gro en Teil der Verluste beitragen Sowohl beim Ottomotor als auch beim Dieselmotor treten w hrend des Ladungswechsels Str mungsverluste im Ansaug und Abgassystem sowie an den Ventilen auf zu deren berwindung Leistung vom Motor aufge wendet werden muss Im Indikatordiagramm zeigen sich diese Verluste daran dass der Zy 2 1 Grundlagen des Otto und Dieselmotors linderdruck w hrend des Ansaugens unter den Umgebungsdruck f llt w hrend er beim Aus schieben ber den Umgebungsdruck ansteigt und sich so letztendlich die Fl che B ausbildet deren Inhalt ein Ma f r die aufgewendete Ladungswechselarbeit darstellt Als Ma f r die G te des Ladungswechsels wird hierbei der Liefergrad X verwendet der das Verh ltnis der nach dem Ladungswechsel tats chlich im Zylinder vorhandenen Masse m zur theoretisch
95. an frisch Referenz 1 200 000 PRF70 frisch gemischt Referenz Iso Oktan frisch mit 1 o Schmier l A 1 000 000 Ca He h a 2 800 000 ee j 7 c N 600 000 Q Sm S 400 000 200 000 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 Wellenl nge nm Abbildung C 5 Vergleich der Fluoreszenzspektren von reinem iso Oktan iso Oktan gemischt mit Schmier l 1 sowie von PRF70 nach Anregung mit 266 nm 1 600 000 1 400 000 Iso Oktan frisch Referenz A 1 200 000 PRF70 frisch gemischt Referenz 1so Oktan frisch mit 1 o Schmier l 1 000 000 p 5 L 2 w 800 000 c N 600 000 a Z ui 400 000 200 000 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 Wellenl nge nm Abbildung C 6 Vergleich der Fluoreszenzspektren von reinem iso Oktan iso Oktan gemischt mit Schmier l 1 sowie von PRF70 nach Anregung mit 355 nm 191 Anhang D Charakterisierung der Einspritzd sen In den folgenden Diagrammen finden sich Zusatzinformationen zu den in Abschnitt 5 4 be schriebenen Einspritzd sen Hierzu geh ren ansteuerdauerabh ngige Einspritzverl ufe An steuersignale und Spannungsverl ufe sowie Polynome zur rechnerischen Absch tzung der Einspritzmenge auf Basis der Ansteuerdauer Diese Polynome sind je nach Komplexit t des vermessenen Einspritzverlaufs in mehrere zeitliche Abschnitte unterteilt die bei der Berech nung ber cksichtigt werden m ssen
96. ann so online oder mit Hilfe der Kraftstoff Berechnungstabelle der Ansaugmassenstrom bestimmt werden und steht z B f r die Be rechnung der Einspritzmenge mit Hilfe der Messung s Abschnitt 5 6 2 zur Verf gung 9 9 4 Beruhigungsvolumen Durch das getaktete Ansaugen der Frischluft entstehen im Ansaugsystem periodische Druckschwankungen die sich negativ auf die Messgenauigkeit des Drehkolbenz hlers aus wirken k nnen Um diese Druckschwankungen zu d mpfen befindet sich ein D mpfungsvo lumen Beruhigungsfass von ca 55 dm stromabw rts des Drehkolbenz hlers in der An saugleitung s Abbildung 5 1 Au erdem kann der sich im Beruhigungsvolumen einstellen de und ber die Zustandsgr en definierte Zustand der Ansaugluft als Ausgangspunkt f r Berechnungen verwendet werden da Schwingungseffekte weitestgehend auf das Saugrohr beschr nkt bleiben Der Beh lter besteht aus Edelstahlblech mit einer Wandst rke von 1 mm und sowohl zur Schalld mpfung als auch zur thermischen Isolierung mit Isolierwolle umh llt Auf der Eintrittsseite befindet sich ein quadratischer Luftfilterkasten der sowohl zur Aufnah me des Luftfilters dient als auch den Einbau eines gro fl chigen elektrischen Heizelements erm glicht Dieses kann zur Vorw rmung der Ansaugluft auf eine konstante Temperatur verwendet werden 85 Da aufgrund des gro en zu erw rmenden Volumens der W rmeka pazit t des Luftkessels sowie der W rmeverluste nur eine relativ tr g
97. assessment are possible while all these investigations are supple mented by indication measurements of the cylinder intake and exhaust pressures as well as numerous measurements of the operating conditions For characterization of the engine investigations of flame propagation in a spark ignited operation mode were conducted using the chemiluminescence signal OH emitted by the flame as well as laser induced fluorescence LIF of formaldehyde CH20 occurring during compression and ignition Moreover a low pollutant producing self ignition operation mode was implemented and investigated with endoscopic assessment of the OH signal and CH O fluorescence In the scope of these measurements the formation and consumption of CH O could be observed during the whole combustion cycle and sources of unburned hydro carbons in the combustion chamber could be identified In order to characterize the utilized direct injection fuel injector comparative light scattering measurements of fuel spray using the large scale optical accesses and endoscopic measurements were conducted Inhaltsverzeichnis ZUSamMmEeNlassuUngs anni ADSIrAC le are ii IHHAlSVErZEIENNIS 2 enter IV NOMERKIALUr ae a viii 1 ENIEINIDG eea T EEE E E 1 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren sensensennnnnennennrnnrrnrrnrrnrrnrrrerrereeeeene 4 2 1 Grundlagen des Otto und Dieselmotors 2s0 2000020000000nn nenne nenne nenne nnnnn nennen 4 2 2 Spezi
98. aterials wird er mit drei O Ringen hinterlegt s Abbildung 5 7 Die Laufbuchse des optischen Teils ist von der Laufbuchse des unteren Teils vollst ndig durch das Spiegelgeh use getrennt und mit der Andr ckplatte f r den Zylinderring ver schraubt so dass sie mit dieser zusammen verfahren wird Sie besitzt einen Innendurch messer von 84 mm woraus sich mit dem Hub von 90 mm ein Hubvolumen von 499 cm ergibt Die K hlung der Laufbuchse erfolgt durch den in den Hydraulikzylinder zum Anhe ben Absenken der Andr ckplatte integrierten K hlwassermantel in den die Laufbuchse di rekt nass eingesetzt ist Bei Besch digungen der Lauffl chen z B durch einen Bruch des Kolbenglases oder des Glasrings kann die Laufbuchse verh ltnism ig leicht ausgetauscht werden 5 1 4 Optische Zug nge Der Brennraum des optischen Motors ist ber den Zylinderring und das Kolbenglas f r opti sche Messungen zug nglich Des Weiteren besteht die M glichkeit zur Einkopplung eines Lichtschnittes ber einen endoskopischen Zugang zwischen den Einlassventilen Die Str mung in Teilen des Saugrohrs kann durch ein transparentes Saugrohr z B mittels PIV ver messen werden Die wichtigsten Komponenten der optischen Zug nge sind in Abbildung 5 8 dargestellt IY OOO m nn GLASRING LICHTSCHNITT OPTIK KOLBEN UND KOLBENGLAS SPIEGEL Abbildung 5 8 Aufbau des optischen Motors mit den wichtigsten optischen Bauteilen ber den
99. aufgrund zu hoher Druckgradi enten und Spitzendr cke nicht m glich bzw nur mit einem hohen Risiko des Glasbruchs m glich ist Da die Endoskope u A auch zur Messung von Formaldehyd an anderen Ver suchstr gern eingesetzt werden sollten wurden Versuche zur Messung von CHO am opti schen Motor unter den in Abschnitt 6 2 1 beschriebenen Betriebsbedingungen durchgef hrt Ziel der Untersuchung war der Nachweis der Tauglichkeit der Endoskope zur Detektion von Formaldehyd Bei den Endoskopen handelt es sich um zwei unterschiedliche Lichtschnitten doskope zur Einkopplung des Lasers in den Brennraum sowie ein Beobachtungsendoskop zur Detektion des LIF Signals Das erste Lichtschnittendoskop formt aus dem eintretenden runden Strahl ein kontinuierliches flaches und divergierendes Lichtblatt Kontinuierliches Lichtschnittendoskop und erlaubt die Einkopplung einer Pulsenergie von max 7 mJ Puls Das zweite Lichtschnittendoskop formt aus dem eintretenden Einzelstrahl f nf Einzelstrahlen Einzelstrahlen Lichtschnittendoskop und kann Pulsenergien von bis zu 3 mJ Puls in den Brennraum einkoppeln Zwar ist f r das Einzelstrahlen Lichtschnittendoskop die insgesamt einkoppelbare Pulsenergie geringer als f r das Kontinuierliche Lichtschnittendoskop jedoch ist beim zweiten die Energie in den Strahlen geb ndelt so dass sich mit ihm eine h here r umliche Energiedichte realisieren l sst Beide Endoskope werden in einem Endoskop Adapter montiert
100. ausgenutzt so dass auch h here Ansaugtemperaturen prinzipiell m glich sind Hierbei muss jedoch be r cksichtigt werden dass die W rmeverluste des Ansaugbereichs in dieser Rechnung nicht 110 5 5 Ansaugsystem ber cksichtigt sind die die maximal m gliche Temperatur begrenzen Weiterhin ist zu be r cksichtigen dass Bauteile wie die Drosselklappe und die Saugrohreinspritzd sen nicht zu stark erhitzt werden d rfen so dass eine Ansaugtemperatur von ca 150 C nicht berschrit ten werden sollte Die Regelung der Luftvorw rmung erfolgt ber einen PID Regler Suran Enda ESM 4450 mit stetigem Analogausgang der mit Hilfe einer Phasenan schnittsteuerung die Leistung des Heizelements stufenlos regelt Die Temperaturmessung f r den Regelkreis erfolgt erst nach dem Einlassberuhigungsvolumen im Y bergangsst ck s auch Abschnitt 5 5 7 um so W rmeverluste die bis zu dieser Stelle auftreten direkt ber die Regelung zu kompensieren 5 9 6 Drosselklappe Die in Abbildung 5 27 hinter der Luftvorw rmung erkennbare Drosselklappe kann zur Rege lung der Ansaugluftmenge und des Drucks im Ansaugrohr verwendet werden so dass durch Verengen des Querschnitts auch Ansaugrohrdr cke unterhalb des Umgebungsdrucks einge stellt werden k nnen Bei der Drosselklappe handelt es sich um ein Serienbauteil des Her stellers BMW das urspr nglich f r die Verwendung mit Vierzylindermotoren konzipiert wur de so dass bei der Verwendung am optischen
101. b vor allem eine hohe Luftge schwindigkeit eine hieraus resultierende hohe Relativgeschwindigkeit der Luft zum Ein spritzstrahl sowie eine m glichst geringe Tr pfchengr e von Vorteil Die Verdampfung des Kraftstoffs kann zus tzlich durch eine hohe Temperatur der Zylinderladung gef rdert werden welche sich allerdings auch negativ auf den Liefergrad auswirkt so dass Vor und Nachteile gegeneinander abzuw gen sind Die Relativgeschwindigkeit und Durchmischung im Brenn raum kann vor allem durch gezielte Erzeugung einer Ladungsbewegung Drall oder Tumble Str mung mit Hilfe von Einbauten in den Saugrohren sowie ber deren generelle geometri sche Ausformung erfolgen Die Tr pfchengr e wird in erster Linie ber den Einspritzdruck beeinflusst wobei ein hoher Einspritzdruck zu einer Verringerung des Tr pfchendurchmes sers f hrt Die Temperatur der Ladung kann wiederum durch gezieltes Vermischen mit Ab gas Abgasr ckf hrung AGR Details s Abschnitte 2 2 3 und 6 1 1 beeinflusst werden 9 Neben der bereits erw hnten geometrischen Ausf hrung der Ansaugkan le spielt auch noch die Brennraumgeometrie sowie die Lage der Einspritzd se und der Z ndkerze eine ent scheidende Rolle f r die effiziente Anwendung der Direkteinspritzung insbesondere im Schichtladebetrieb Hierbei unterscheidet man im Allgemeinen drei verschiedene Verfahren der Gemischbildung 10 wandgef hrte Verfahren luftgef hrte Verfahren sowie strahlgef hr te Verf
102. bbildung 6 15 gezeigten Resultate der LIF Untersuchungen in der Verdichtungs phase 180 bis 25 KW zeigt sich nur ein niedriges Signal dessen Intensit t bis 25 KW nur geringf gig ansteigt Dies deutet darauf hin dass nur in geringem Umfang eine Bildung von Formaldehyd in der kalten Flamme erste Z ndstufe s Abschnitt 2 2 3 im untersuch ten Bereich der Kompressionsphase auftritt und gr ere Konzentrationen von CH20 im We sentlichen erst sehr nahe am ZOT vor der eigentlichen Verbrennung zweite Z ndstufe in den Bereichen des Brennraums gebildet wird die noch nicht von der in anderen Bereichen bereits ablaufenden Verbrennung erfasst wurden Bemerkenswert ist dass auch schon am Ende der Zwischenkompression bei ca 260 KW Fluoreszenzsignal zu detektieren ist ob wohl vor Beginn der Hauptkompression aufgrund der Druck und Temperaturverh ltnisse nicht mit der Entstehung von CH20 zu rechnen ist Hierbei handelt es sich wahrscheinlich um unverbrannten bzw unvollst ndig reagierten Kraftstoff aus der vorhergehenden Verbren nung der durch die hohe interne AGR ca 60 ermittelt durch 1D Simulation s Abbil 148 6 2 Messungen in der Vorz ndung dung 6 2 und trotz des bereits im Verlaufe der OH Chemilumineszenzmessungen beobach teten Umsatzes in der Zwischenkompression s Abbildung 6 14 in den n chsten Zyklus bertragen wird 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 15 Entwicklun
103. be von bis zu 16 Triggersigna len auf max 8 Kan len zu beliebigen Kurbelwinkeln mit frei w hlbarer Signaldauer und z T auch Amplitude Kan le 1 bis 4 sind stufenlos einstellbar bis 10 V brige Kan le liefern TTL Pegel Zu diesem Zweck kann die sog Engine Timing Unit ETU mit Hilfe einer Software parametriert werden Als Eingangssignal der ETU dient ebenfalls das Kurbelwinkelsignal mit einem zus tzlichen Referenztrigger f r den OT ebenfalls vom Kurbelwinkelgeber geliefert Die Signalverarbeitung erfolgt aufgrund der erforderlichen kurzen Rechenzeiten nicht im In 88 5 2 Indiziersystem und Datenerfassung diCom Rechner an sich sondern in der ETU Zu den in jedem Fall mit Hilfe der ETU ange steuerten Ger ten geh ren Z ndung und Einspritzung Au erdem wird zum gew nschten Aufnahmezeitpunkt ein Mastertrigger an das Kamerasystem gesendet Die verbleibenden Kan le bzw Signale k nnen z B zur Realisierung einer Mehrfacheinspritzung zur Ansteue rung einer weiteren Saugrohreinspritzd se oder zur Ansteuerung beliebiger anderer Ger te genutzt werden Wird eine Gruppe von Signalen auf ein und demselben Ausgang ben tigt z B Mehrfacheinspritzung mittels Piezo Injektor so k nnen mehrere Signale mit Hilfe der ETU Software auf einem Ausgang zusammengelegt werden Multiplexing Die Einbindung des IndiCom Rechners in das Signalsystem des Pr fstands ist in Abbildung 5 13 schema tisch dargestellt 5 2 2 Datenerfassung F r di
104. chbildung aktueller und die Entwicklung neuer Brennverfahren zur eingehenden optischen Untersuchung wobei die optischen Mes sungen durch Indizierung des Zylinder Saugrohr und Abgasdrucks sowie umfangreiche Betriebsgr enmessungen erg nzt werden Zur Charakterisierung des Motors wurden Untersuchungen zum Brennfortschritt in einem fremdgez ndeten Betriebspunkt anhand des von der Flamme emittierten Chemilumines zenzsignals OH sowie anhand laserinduzierter Fluoreszenz LIF von im Laufe der Kom pression und Verbrennung gebildetem Formaldehyd CH O durchgef hrt Weiterhin wurde ein f r eine schadstoffarme Verbrennung besonders interessanter selbstz ndender Be triebspunkt realisiert und mit endoskopischen Messungen des OH Signals sowie der CH20 Fluoreszenz untersucht Hierbei konnte die Entstehung und der Abbau von CH20 im Verlauf des gesamten Zyklus beobachtet und zus tzlich Emissionsquellen unverbrannter Kohlen wasserstoffe im Brennraum identifiziert werden Zur Charakterisierung der verwendeten Di rekteinspritzd se wurden sowohl mit Hilfe der gro fl chigen optischen Zug nge als auch mit Hilfe der endoskopischen Zug nge Streulichtimessungen am Kraftstoffspray durchgef hrt und verglichen Abstract Combustion engines are of invaluable importance for the reliable transportation of goods and passengers in everyday life However due to the fossil fuels used for their operation leading to the release of climate damaging carbo
105. cheidende Bedeutung zu Diesbez glich wurden bereits zahlreiche Ver besserungen vorgenommen s Abschnitt 5 5 jedoch k nnte durch weitere Verbesserungen die Flexibilit t des Motorbetriebs sowie die Reproduzierbarkeit des Ansaugzustands weiter verbessert werden Hier best nde z B in der Regelung der Ansaugluftfeuchte eine m gliche Verbesserung da durch nderungen der Luftfeuchtigkeit die W rmekapazit t der Ansaugluft und ber diese auch das Betriebsverhalten des Motors beeinflusst wird Diese Regelung k nnte z B durch Abk hlen der Luft mit Hilfe eines Kalorifers bis unter den Taupunkt und anschlie ender Trop fenabscheidung erreicht werden um so die Luftfeuchtigkeit auf einen Wert zu reduzieren der bei allen Umgebungsbedingungen eingehalten werden kann Alternativ k nnte die Luft durch einen Sorptionsluftentfeuchter entfeuchtet werden Hierbei stellt die gr tm gliche Entfeuchtung der Luft die bevorzugte L sung dar da gegen ber der gezielten Befeuchtung auf einen bestimmten Wert der Regelungsaufwand wesentlich geringer ausf llt und au er dem keine Versorgung mit entsalztem Wasser erforderlich ist Weiterhin zeigte sich dass ohne Luftvorw rmung mit dem gegebenen Verdichtungsverh lt nis die f r den HCCI Betrieb erforderliche Verdichtungsendtemperatur nur schwer zu errei chen ist wodurch sich die Verwendung des Motors im HCCI Betrieb sehr schwierig und un flexibel gestaltete Um neben der bereits nachger steten M glic
106. chsel OT Liquefied Petroleum Gas Methyl tert Butylether Nicht Dispersiver Infrarot Detektor Ultraviolett Resonanzabsorptionsdetektor Stickoxide Oberer Totpunkt Phasen Doppler Anemometrie Particle Image Velocimetry Paramagnetischer Detektor viii Nomenklatur PRF TDLAS TEM UT UV VANOS VTG ZOT ZZP Symbole Symbol A21 B12 Primary Reference Fuel Tunable Diodelaser Absorption Spectroscopy Transmissionselektronenmikroskop Unterer Totpunkt Ultraviolett Variable Nockenwellensteuerung Variable Turbine Geometry Z ndungs OT Z ndzeitpunkt Bezeichnung Einsteinkoeffizient der spontanen Emission Einsteinkoeffizient der Absorption Lichtgeschwindigkeit c 2 9979 x 10 m s Partikeldurchmesser Energie des angeregten Zustands Molek l Planck sches Wirkungsquantum h 6 63 x 10 Js Laserleistung Masse der dem Motor zugef hrten Frischladung Kurzschlussmasse Brennstoffmassenstrom F r die Verbrennung tats chlich verf gbare Luftmasse F r st chiometrische Verbrennung erforderliche Luftmasse Masse der theoretisch zuf hrbaren Frischladung Masse der Frischladung im Zylinder Motordrehzahl Anzahl der Arbeitsspiele pro Kurbelwellenumdrehung Druck Zylinderdruck bei ausgezeichneten Zeitpunkten des Kreisprozesses effektive Leistung indizierte Leistung Indizierter Druck Fluoreszenzleistung Indizierter Mitteldruck Reibleistung Umgebungsdruck Quenchrate Kolbenweg Temperatur Messvolume
107. d Mie Streuung und inelastischer Streuung Ramanstreuung unterschieden werden Bei der elas tischen Streuung tritt im Gegensatz zur inelastischen Streuung kein dauerhafter Energieaus tausch zwischen der Materie und dem eingestrahlten Licht statt so dass es nicht zu einer 62 4 2 Elastische Streuung Frequenzverschiebung des reflektierten Lichts kommt Da im Rahmen dieser Arbeit keine auf inelastischer Streuung basierenden Messmethoden angewendet wurden sollen diese im Folgenden nicht n her behandelt werden Details finden sich aber z B in 59 und 60 Bei der elastischen Streuung wird basierend auf der Partikelgr e zwischen Rayleigh und Mie Streuung unterschieden Rayleigh Streuung tritt auf wenn f r den Teilchendurchmesser d lt lt gilt was z B bei der Streuung an Molek len der Fall ist Hierbei tritt zwar eine Absorp tion des Lichts durch das Molek l auf jedoch entspricht die absorbierte Energie nicht exakt der f r einen bergang des Molek ls in ein h heres Energieniveau n tigen Energie sondern hebt die Energie des Molek ls auf ein virtuelles Zwischenniveau an s Abbildung 4 3 Daher kommt f r diese Anregung jede beliebige Wellenl nge in Betracht und nicht nur bestimmte Anregungswellenl ngen wie bei der Laserinduzierten Fluoreszenz s Abschnitt 4 3 Da es sich bei dem so erzeugten angeregten Zustand nur um ein virtuelles Niveau handelt ist der Zustand u erst instabil wodurch das Molek l nach ca 10
108. dampfenden und nicht verdampfenden Brennstoffstrahlen unter Hochdruck Dissertation Eidgen ssisch Technische Hochschule Z rich 2003 N Fuhrmann M Schild D Bensing S A Kaiser C Schulz J Br bach A Dreizler Two dimensional cycle resolved exhaust valve temperature measurements in an optically accessible internal combustion engine using thermographic phosphors Applied Physcis B 106 945 951 2012 S A Kaiser M Schild C Schulz Thermal stratification in an internal combustion engine due to wall heat transfer measured by laser induced fluorescence Proceedings of the Combustion Institute 34 2911 2919 2013 C Meffert Dissertation in Vorbereitung Universit t Duisburg Essen vorr 2014 M Schild Dissertation in Vorbereitung Universit t Duisburg Essen vorr 2014 O Witzel A Klein S Wagner C Meffert C Schulz V Ebert High speed tunable diode laser absorption spectroscopy for sampling free in cylinder water vapor concentration measurements in an optical IC engine Applied Physcis B 109 521 532 2012 182 Anhang A Kompaktpr fstand Tabelle A 1 Technische Basisdaten des Kompaktpr fstands Technische Spezifikationen des Kompaktpr fstands Nenndrehmoment 120 Nm von 0 bis 3000 min Nennleistung 38 kW von 3000 bis 7000 min Ma e L nge Breite H he 2150 1200 1300 mm Gewicht ca 2400 kg Ausgangsdauerleistung 50 kVA Ausgangsspitzenleistung 75 KVA Anschlussspannun
109. decan und a MethylInaphtalin zur Bestimmung der Cetanzahl analog zur Oktanzahl f r Ottokraftstoffe darstellt Toluol hingegen kommt f r Untersuchungen an Otto Motoren zum Einsatz Es hat den Vorteil dass es auch in Standard Otto Kraftstoffen in hohen Antei len enthalten ist und daher Verhaltensabweichungen gegen ber Standard Kraftstoff durch seinen Einsatz nur in geringem Umfang zu erwarten sind Nachteilig ist das im Vergleich zu 68 4 3 Laserinduzierte Fluoreszenz LIF Ketonen wesentlich h here Quenching der Toluol Fluoreszenz durch Sauerstoff Die 0 9 racer k nnen sofern ihre Verdampfungseigenschaften es zulassen auch der Ansaugluft zugesetzt werden um nach homogener Durchmischung mit dieser z B das Einstr men der Frischluft in den Zylinder untersuchen zu k nnen In gleicher Weise kann aber auch NO als Tracer f r die Ansaugluft verwendet werden 33 Des Weiteren k nnen z B Temperatur schichtungen oder sich im Laufe des Zyklus z B im Bereich der Brennraumw nde ausbil dende Temperaturabweichungen in der Kompressionsphase durch die Verwendung von z B Toluol unter Ausnutzung der Temperaturabh ngigkeit der Fluoreszenzintensit t vermessen werden 66 Neben Tracern die gezielt dem Kraftstoff oder der Ansaugluft zugesetzt werden k nnen f r Fluoreszenzuntersuchungen aber auch Spezies verwendet werden die durch Vorreaktionen vor der Verbrennung entstehen z B Formaldehyd CH20 oder in der Flammenfront gebildet werde
110. den Au erdem besteht nicht die Gefahr dass durch Ausbildung eines Wandfilms im Saugrohr im Brennraum fette Gemischbereiche ent stehen die zu erh hter Schadstoffbildung f hren s Abbildung 2 5 Auch wird durch das Fehlen des Wandfilms das Ansprechverhalten des Motors bei Lastwechseln verbessert da kein sich ber mehrere Zyklen ver ndernder Kraftstofffilm vorhanden ist Mit zunehmender Abmagerung n hert sich A immer weiter der oberen Z ndgrenze an 1 5 so dass die Gefahr von Z ndaussetzern und erh hten Kohlenwasserstoffemissio nen durch unvollst ndigen Ausbrand stark zunimmt Ist daher Homogenbetrieb in der Teillast nicht mehr m glich so erfolgt beim Direkteinspritzmotor der bergang zum Schichtladebe trieb Hierbei wird zun chst reine Luft angesaugt und der Kraftstoff erst im Kompressionshub eingespritzt um im Bereich der Z ndkerze einen z ndf higen m glichst homogen durch mischten Bereich zu erzeugen der von Luft bzw einer Mischung aus Luft und Abgas umge ben ist Durch diese Ladungsschichtung ist im Idealfall der Betrieb des Motors ohne Drossel 14 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren klappe und somit ohne Drosselverluste m glich Au erdem k nnen durch die die Ladung umgebende isolierende Luftschicht die Wandw rmeverluste verringert werden Beiden Betriebsarten ist gemein dass ein hoher Grad an Kontrolle ber die Gemischbildung ausge bt werden muss Hierbei sind f r den Homogenbetrie
111. den hei en Luft immer ein Bereich ausbilden wird in dem ein z ndf higes Gemisch vorliegt und verbrennt 7 Weitere Details zur Verbrennung in Otto und Dieselmotoren der Schadstoffentstehung sowie Konzepten deren Ziel es ist die Vorteile beider Verfahren zu vereinen werden aufgrund der f r die im Rahmen dieser Arbeit durchgef hrten Untersuchungen im nachfolgenden Kapitel 2 2 n her behandelt 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren W hrend der grundlegende mechanische Aufbau der Verbrennungsmotoren mit Ausnahme der Kreiskolbenmotoren in Form des Kurbeltriebwerks im Laufe der Entwicklung nur ver h ltnism ig geringe Ver nderungen erfahren hat finden sich in modernen Motorenkonzep ten immer h ufiger Mischungen klassischer Verfahrensmerkmale von Otto und Dieselmotor wie z B das Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI bzw das Controlled Auto Ignition CAl Brennverfahren deren spezifische Entwicklungsanforderungen in den n chs ten Abschnitten vertiefend dargestellt werden 2 2 1 Ottomotoren Der Ottomotor wird in seiner klassischen Ausf hrung mit einer au erhalb des Brennraums gebildeten homogenen Mischung von Kraftstoff und Luft betrieben Hierbei k nnen extrem fette Gemische mit Sauerstoffmangel sowie extrem magere Gemische mit hohem Sauer stoff berschuss vermieden werden Dies bedeutet dass in der Mischung ausreichend Sau erstoff zur vollst ndigen Oxidation des Kraftstoffs zur Verf gung steht
112. den unterhalb von ca 900 K durch Reaktion mit Sauerstoff zun chst Wasserstoffatome von den Kohlenwasserstoffen abgespalten wo durch sich Radikale wie z B HO bilden Diese reagieren in komplexen Reaktionen weiter mit den verbliebenen Kohlenwasserstoffen und bilden weitere Radikale die wiederum mit den Kohlenwasserstoffen reagieren 4 Hierbei wird nur eine geringe W rmemenge freige setzt die zu einem langsamen Temperaturanstieg im Kompressionshub unterst tzt durch die steigende Verdichtung und einer daraus resultierenden Verschiebung des chemischen Gleichgewichts hin zur Bildung von Alkenen und HO Radikalen Diese bilden unterhalb von ca 1000 K Wasserstoffperoxid das zun chst kaum weiterreagiert und somit zu einer Ver langsamung der weiteren Reaktionen f hrt Steigt die Temperatur nun auch infolge der fort schreitenden Kompression weiter an so beginnt ab Temperaturen oberhalb von etwa 1000 K die Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu OH Radikalen Durch diese Kettenver zweigung steigt die Anzahl der m glichen Folgereaktionen wodurch sich der weitere Reakti onsablauf beschleunigt so dass es zur 2 Z ndung mit vollst ndiger Umsetzung des Kraft stoffs kommt In dieser Reaktion wird der gr te Teil der W rme freigesetzt so dass der Be ginn der 2 Z ndung entscheidend f r die Energieumsetzung im Brennraum und somit auch f r die effiziente Ausnutzung der freiwerdenden Energie ist 4 H oO 2 Z ndstufe 1 Z ndstu
113. der Motoreinstellungen und Erweiterungen der Pr fstandstechnik realisiert werden Die hierzu notwendigen Arbeiten sowie Details zum HCCI Betrieb werden in Abschnitt 6 1 n her erl utert Der gefundene Betriebspunkt sollte im Anschluss charakteri siert und zur Erprobung endoskopischer Messtechniken verwendet werden In diesem Zu sammenhang kam insbesondere der Detektion von Formaldehyd CH gt O eine hohe Bedeu tung zu da diese insbesondere im Bereich der kalten Flamme d h in der Vorz ndung ge bildet wird und daher als Indikator f r das ablaufen solcher Reaktionen genutzt werden kann s Abschnitt 2 2 3 Im Vorfeld n herer Untersuchungen des HCCI Betriebs wurden daher zun chst Versuche zur Detektion von CHO in einem fremdgez ndeten Betriebspunkt durchgef hrt um Vergleichswerte f r die nachfolgenden Untersuchungen zu erhalten und Erfahrung zur Detektion von Formaldehyd zu sammeln Details zu diesen sowohl mit gro fl chigen optischen Zug ngen als auch endoskopisch durchgef hrten Untersuchungen fin den sich in den Abschnitten 6 2 1 und 6 2 2 Anschlie end erfolgte die in Abschnitt 6 2 3 ge schilderte Untersuchung des HCCI Betriebs Diese wurden endoskopisch durchgef hrt da sich in den Voruntersuchungen gezeigt hatte dass die im HCCI Betrieb auftretenden Druck gradienten und Spitzendr cke eine unzul ssig hohe Belastung f r die gro fl chigen opti schen Zug nge darstellen Abschlie end wurden vergleichende Untersuchungen m
114. der Simulationsrechnung nicht zielf hrende Experimente in vielen F llen vermei den und der Versuchsbetrieb so effizienter gestalten Abbildung 2 17 Vergleich von simuliertem und visualisiertem Kraftstoffspray 36 Insgesamt stellt die mehrdimensionale numerische Simulation ein wertvolles Werkzeug zur Analyse und Optimierung der Vorg nge im Brennraum und anderen Komponenten des Mo tors dar Besonders wichtig ist hierbei herauszustellen dass mit Hilfe der Simulation zahlrei che Varianten vor der Umsetzung im Motor untersucht werden k nnen und in Zusammen hang mit der Verbrennungssimulation auch r umlich aufgel ste Spezieskonzentrationen abgesch tzt werden k nnen die auf experimentellem Wege f r den gesamten Brennraum sonst nicht zu erhalten sind JZ 3 Versuchstr ger optischer Motor Schon der Erfinder des modernen Verbrennungsmotors Nicolaus August Otto bediente sich 1872 des in Abbildung 3 1 dargestellten handbetriebenen Modellmotors mit gl sernem Zylin der um mit Hilfe von Zigarettenrauch die Ladungsschichtung und Durchmischung von Brenngas und Frischluft zu studieren 38 Sp ter in den 1930er Jahren wurden systemati sche Untersuchungen des Verbrennungsfortschritts an optisch zug nglichen Versuchsmoto ren vorgenommen 39 wobei die Beobachtung mit dem menschlichen Auge unter Zuhilfe nahme mechanischer Stroboskopapparate erfolgte 40 Seit diesen ersten Versuchen wur den sowohl die optischen Zug nge zum Bre
115. der sowohl zur Abdichtung des Brennraums gegen die Umgebung dient als auch dazu die Endoskope in der Bohrung zu befestigen indem mit seiner Hilfe ein Saphir Fenster zur Abdichtung des Brennraums in der Bohrung verspannt wird und die Endoskope mit Hilfe einer Klemmvorrichtung gehalten werden F r den Einsatz beider Lichtschnittendo skope ist jedoch noch zu beachten dass aufgrund der geometrischen Verh ltnisse in der Einkopplungsbohrung im Endoskopring bzw im Zylinderkopf Teile der Lichtschnitte abge schnitten werden Dies f hrt f r das Einzelstrahlen Lichtschnittendoskop dazu dass nur drei der f nf Strahlen eingekoppelt werden k nnen entspricht 40 Verlust und im Fall des kon tinuierlichen Lichtschnittendoskops zu Verlusten von ca 30 Beim Beobachtungsendoskop handelt es sich um ein speziell an den UV Bereich und Motoranwendungen angepasstes 139 6 Messungen System zur Signalaufnahme welches aus zwei Baugruppen besteht Die erste Baugruppe bildet das eigentliche direkt im Motor bzw Endoskopring montierte Endoskop und enth lt ausschlie lich refraktive optische Elemente Die zweite Baugruppe wird von einem diffrakti ven optischen Element gebildet das zur Korrektur chromatischer sowie geometrischer Ab weichungen dient und anstelle des Objektivs vor der Kamera montiert wird Diese Aufteilung hat den Vorteil dass Endoskop und Kamera mechanisch entkoppelt werden k nnen wo durch mechanische Schwingungen des Motors nicht auf das emp
116. derdruck die Eindringtiefe bei einem bestimmten mit steigender Gasdichte sinkendem Wert stagniert also eine station re Eindringtiefe erreicht wird die unter den ge gebene Randbedingungen nicht berschritten werden kann F r die Absch tzung der Eindringtiefe bei zuk nftigen Messungen wurden f r die mit Hilfe des Glasrings gewonnenen Messergebnisse N herungsgleichungen ermittelt s Abbil dung D 6 mit deren Hilfe sich auch Eindringtiefen f r Gasdichten absch tzen lassen die zwischen den gemessenen Dichten liegen Zur weiteren Untersuchung des Mischungsver haltens sollte in zuk nftigen Versuchen der Einsatz erg nzender LIF Messungen in Erw gung gezogen werden insbesondere um die Ausbreitung des verdampften Kraftstoffs zu untersuchen und so zu ermitteln ob und in welchem Zeitrahmen auch tiefere Bereiche des Brennraumes mit kleinen Einspritzmengen erreicht werden k nnen Hierbei k nnte auch die 160 6 4 Weitere Messungen mit verschiedenen Techniken Aufteilung der zweiten Einspritzung in eine Abfolge kleinerer Einspritzmengen sinnvoll sein um h here Gesamt Eindringtiefen in f r den Motorbetrieb sinnvollen Zeiten zu erreichen Hierbei m sste jedoch zuvor das Verhalten der Einspritzd se mit anderen Ansteuerprofilen d h steileren Aufladerampen und Teilh ben der D sennadel untersucht werden um geringe re Einspritzmengen pro Einspritzung realisieren zu k nnen s Abschnitt 5 4 1 6 4 Weitere Messungen mit verschiedenen
117. dw rmeverluste ber cksichtigt werden da durch die geringere Drehzahl mehr Zeit f r die W rme bertragung zwischen F llung und Brennraumwand zur Verf gung steht 5 16 26 2 3 Generelle Entwicklungstrends zuk nftiger Motorenkonzepte Besonders bei der Umsetzung von HCCI Brennverfahren bei denen eine hohe Sensitivit t bez glich der Mischungstemperatur besteht kann sich dieser Effekt negativ auswirken was auch im Rahmen der am optischen Motor durchgef hrten HCCI Versuche zu beobachten war s Abschnitt 6 1 Wie bereits erw hnt besteht eines der Ziele des Downsizings in der Erh hung des effektiven Mitteldrucks bei gleichbleibendem oder sogar verringertem Hubraum und einer damit ver bundenen Erh hung des Wirkungsgrades Um dies zu erreichen kann eine Aufladung des Motors erfolgen 3 f r deren technische Umsetzung verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen k nnen von denen einige in Abbildung 2 9 schematisch dargestellt sind Sie lassen sich in die mechanische Aufladung Rootsgebl se Schraubenverdichter oder Spiralverdich ter bei der die zum Antrieb des Verdichters ben tigte Energie mechanisch von der Kurbel welle abgenommen wird und die Abgasturboaufladung bei der die Energie mit Hilfe einer Turbine aus dem Abgas gewonnen und dem Verdichter Radialverdichter ber eine gemein same Welle zugef hrt wird aufteilen Ladeluft Ladeluft Verdichter Bypass Wastegate Hochdruck stufe if Wastegate
118. e Vieweg Teubner Wiesbaden 2010 H Wallentowitz Strukturvarianten von Hybridantrieben Internetseite des Instituts f r Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen Adresse http www ika rwth aachen de forschung veroeffentlichung 1999 25 26 02 index php Abgerufen am 25 05 2013 M Sterner Bioenergy and renewable power methane in integrated 100 renewable energy systems Limiting global warming by transforming energy systems Dissertation Universit t Kassel 2009 R Dolt Indizierung in der Motorenentwicklung 1 Auflage Verlag Moderne Industrie Landsberg am Lech 2006 178 Literaturverzeichnis 23 24 29 26 2 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 C Gessenhardt Endoskopische bestimmung des Temperaturfeldes im Brennraum eines Otto Motors mittels Laserinduzierter Fluoreszenz Dissertation in Vorbereitung Universit t Duisburg Essen 2013 U Spicher Methoden zur Analyse der motorischen Verbrennung Vorlesungsumdruck Universit t Karlsruhe 2009 G Suck Untersuchung der HC Quellen an einem Ottomotor mit Direkteinspritzung Dissertation Otto von Guericke Universit t Magdeburg 2001 S Pflaum A Heubuch G Wachtmeister Gas Sampling Probe for the Sampling of Engine Combustion Chamber Samples in High Temporal Resolution Motortechnische Zeitschrift MTZ 11 2009 46 53 2009 S Krause Massenspektroskopische Verfahren zur Charakterisi
119. e raturen die K hlung des Sensors erforderlich ist Der Umschaltadapter erm glicht durch eine pneumatische Umschaltung die Beaufschlagung des Sensors entweder mit dem Druck des Auslasssystems Steuerdruck 2 5 bar oder mit dem Umgebungsdruck Steuerdruck 0 bar Hierdurch ist es m glich den Sensor nur w hrend der Messung mit dem Abgasdruck zu be aufschlagen so dass die Belastung des Sensors durch hohe Gastemperaturen Ru und Vibrationen so gering wie m glich gehalten werden kann Au erdem ergibt sich so die M g lichkeit w hrend der Messung den Umgebungsdruck als Referenzdruck mit dem selben Sensor zu erfassen F r die K hlung des Umschaltk hladapters wird ein Thermobad ver wendet welches durch ein eigenes K hlwasserreservoir die Verwendung von vollentsalztem K hlwasser erm glicht Das Thermobad verf gt ber eine eigene Pumpe die f r den konti nuierlichen K hlwasserumlauf sorgt Zur Regelung der Temperatur dient die elektrische Hei zung des Thermobades und zur Abfuhr bersch ssiger W rme ist es mit dem hauseigenen K hlwassersystem verbunden Die verst rkten Messsignale der Ein und Auslassdrucksensoren werden in einer berwa chungsbox zusammengef hrt Ihre Aufgabe besteht darin die Temperatur des Auslassdru ckaufnehmers zu berwachen und beim berschreiten der Grenztemperatur 150 C mit Hilfe des Magnetventils den Umschaltadapter automatisch auf Umgebungsdruck umzuschal ten Des Weiteren kann der Umschaltadap
120. e recht gleichm ig verteilte Innomogenit ten vorliegen und sich im Laufe der Verdichtung immer st rkere und gr ere Fluktuationen aus bilden die gegen Ende der Verdichtung sogar bis in das Zentrum des Brennraumes vordrin gen Au erdem zeigt sich auf der Kolbenoberfl che eine ca 2 mm d nne Schicht mit ber dem Mittelwert liegenden Temperaturen in der sich die Temperaturfluktuationen in sehr klei ne Bereiche aufteilen wohingegen am Brennraumdach keine solche Grenzschicht beobach tet werden kann und die Temperaturinnomogenit ten wesentlich gr er ausgepr gt sind und nicht die gemittelte Temperatur bersteigen Der Grund f r dieses Ph nomen konnte bislang nicht ermittelt werden 97 Weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet sind geplant u A mit Hilfe von hoch repetitiver Messtechnik 93 6 4 3 Particle Image Velocimetry PIV Zur Gewinnung von Informationen ber die Zylinderinnenstr mung wurde PIV in der Ansaug und Kompressionsphase durchgef hrt Diese Messungen liefern Informationen zum Stoff 163 Messungen 6 und W rmetransport im Brennraum und stellen daher auch eine wichtige Informationsquelle zur Validierung numerischer Simulationen dar Die zur Messung notwendigen Partikel wurden mit Hilfe eines Tr pfchengenerators aus Die thylhexylsebakat DEHS erzeugt und der Ansaugluft ber eine der D senbohrungen im An saugberuhigungsvolumen zugesetzt Die Konzentration der Partikel wurde so gering ge
121. e Kabel ersetzen zu k nnen Der Anschlusskasten in der Messkabine sollte mit einem Anschlusskasten au erhalb der Kabine verbunden werden um die Signalerfassungs und Steuerungsger te leicht anschlie en zu k nnen Die Steuerung des Pr fstands und die Datenerfassung Messsteuerung sollte auf zwei ge trennte Rechner aufgeteilt werden Hierbei sollten alle Funktionen zur Steuerung des Motors der Luftkonditionierung der Kraftstoffanlagen etc auf dem Steuerrechner erfolgen und die Steuerung der Messtechnik sowie die Messdatenerfassung auf dem Messrechner vorge nommen werden Messgr en die sowohl f r die Steuerung erforderlich sind als auch f r 170 6 5 Verbesserungspotentiale f r bestehende und zuk nftige Pr fst nde die sp tere Datenauswertung verwendet werden sollen z B Luftdruck Ansaugtemperatur etc m ssen hierbei doppelt am Signalanschlusskasten abgegriffen werden Gleiches gilt f r Steuersignale sowie Triggersignale die f r die sp tere Datenauswertung von Nutzen sind Die Steuerung von Kamerasystemen sollte nicht mit dem Messrechner erfolgen son dern vom zur Kamera geh rigen Rechner aus erfolgen Zur Erzeugung der Triggersignale f r die Messung die Einspritzung die Z ndung etc bietet sich ein System an dass auch die Erzeugung komplexer sich ber mehrere Zyklen erstreckender Signalfolgen in bersichtli cher Form gestattet um umst ndliche und fehleranf llige Schaltungen mit mehreren Signal teilern und
122. e Kenntnis der mit Hilfe des Zylinderdrucks berechneten Temperatur unverzicht bar um den Temperatureinfluss auf die Signalintensit t bei der Messung ber cksichtigen zu k nnen s auch Kapitel 4 Vorteil ist hierbei die verh ltnism ig einfache Anwendbarkeit der Indizierung und die M glichkeit viele Zyklen zusammenh ngend beurteilen zu k nnen Nachteilig ist dass Ereignisse wie z B Klopfen nur global erfasst werden k nnen d h kei ne ortsaufgel sten Informationen zu gewinnen sind Abhilfe k nnen hier die in Kapitel 2 4 3 und Kapitel 4 n her beschriebenen optischen Messtechniken schaffen 2 4 2 Probenentnahme Zur Beurteilung der Emissionen eines Verbrennungsmotors und zur Untersuchung der che mischen Vorg nge im Brennraum ist in vielen F llen eine Probenentnahme aus dem Abgas oder dem Brennraum n tig Auch f r die Untersuchung der Ru bildung oder der Emissionen aus Verbrennung von Schmier l sind Probennahmen in vielen F llen hilfreich da so auch Spezies untersucht werden k nnen die durch optische Messverfahren nicht erfasst werden k nnen Eine Probenentnahme aus dem Abgas ist bei den meisten Pr fst nden verh ltnism ig ein fach m glich und wird blicherweise zur Messung der Emissionen des Motors durchgef hrt Hierbei wird das Abgas verd nnt oder unverd nnt einer Abgasmessanlage zugef hrt die die verschiedenen Abgasbestandteile mit Hilfe der in aufgef hrten Analysatoren quantifiziert F r den Transpo
123. e Regelung zu realisie ren ist eignet sich dieses Heizelement nur f r Messungen bei denen der Motor ber l ngere Zeitr ume mit konstanten Einstellungen betrieben werden kann Eine schnellere Regelung ist ber die in Abschnitt 5 5 5 beschriebene elektrische Luftvorw rmung m glich Durchmesser L nge und Eintrittsquerschnitt des D mpfungsvolumens wurden auf Basis von berschlagsformeln zur Schalld mpferberechnung 86 zun chst so ausgelegt dass bei der h ufigsten Versuchsdrehzahl von 2000 min eine D mpfung von ca 70 zu erwarten ist s Abbildung E 2 wobei in diesem Faktor noch nicht die D mpfungseigenschaften anderer Bauteile wie z B der Drosselklappe der Luftvorw rmung der Verbindungsschl uche und insbesondere des Luftfilters sowie des zur Befestigung des Luftfilters verwendeten Loch blechs ber cksichtigt sind Von diesen ist aufgrund der von ihnen verursachten Quer schnittsver nderungen und Verwirbelungen ebenfalls ein hoher D mpfungsbeitrag zu erwar ten Durch simultane Messungen des Saugrohrdruckverlaufs und des Druckverlaufs am Ein tritt des D mpfungsvolumens Messung vor Luftfilter und Lochblech bei 2000 min konnte f r alle Drosselklappenstellungen eine D mpfung der Ansaugdruckst e von mehr als 93 nachgewiesen werden s auch Abschnitt 5 5 6 109 5 Versuchsanlage 9 99 Luftvorw rmung Um stets eine konstante Ansauglufttemperatur unabh ngig von den Umgebungsbedingun gen bereitstellen zu k n
124. e Zylinderkopfschrauben an den vier u ersten Ecken des Zylinderkopfes angeordnet sind und direkt mit den Befestigungs bolzen f r den gesamten Zylinderkopf s o verschraubt werden Zur Abdichtung der nach oben teilweise ge ffneten K hlkan le wird w hrend der Montage eine Silikonschicht omni VISC zwischen Zylinderkopf und Nockenwellengeh use eingebracht Das Nockenwellengeh use dient zur Lagerung der Nockenwellen und der brigen Kompo nenten der Ventiltriebmechanik Das Geh use ist aus Aluminium gefr st und auf H he der Nockenwellenachsen geteilt Da die Nockenwellen gleitgelagert sind m ssen alle Lagerstel len mit l versorgt werden Die hierzu n tigen Versorgungskan le sind im unteren Teil des Geh uses untergebracht und werden ber einen zentralen Anschluss mit l von der Konditi onieranlage versorgt Die Ventiltriepbmechanik wird ber Spritzbohrungen geschmiert die wie auch die Schwinghebelauflager hydraulischer Ventilspielausgleich ber das Druck lsystem versorgt werden Der Abfluss des ls von den Lagerstellen erfolgt zun chst in das Nocken wellengeh use wo es gesammelt und anschlie end an den vier Ecken des Geh uses abge f hrt wird Die vier Abfl sse werden unterhalb des Motors zusammengef hrt und das l ber ein Drosselventil zusammen mit dem l aus dem Massenausgleichsgeh use abgesaugt Die Drosselung wurde nachger stet um den von der Kurbelgeh useabsaugung s Abschnitt 5 1 1 erzeugten Unte
125. e k nnen die Auslassventile w hrend der Ansaugphase erneut ge ffnet oder bis in die Ansaugphase offen gehalten werden so dass Abgas aus dem Abgassystem ange saugt wird Vergleichsweise einfach und daher h ufig angewendet ist eine weitere Methode die auch im Rahmen dieser Arbeit verwendet wurde Hierbei wird das Auslassventil noch vor dem vollst ndigen Ausschieben der Abgase geschlossen wodurch es im LOT zu einer zwei ten der sog Zwischenkompression kommt Um hierbei die Pumpverluste gering zu halten und die Zwischenkompression f r weitere verfahrenstechnische Ma nahmen zu nutzen werden auch die Einlassventile erst sp t ge ffnet Obwohl sich durch diese Ma nahmen die HCCI Verbrennung in einem gewissen Kennfeldbereich vor allem im Station rbetrieb kon trollieren l sst bereiten insbesondere niedrige Lastpunkte nahe Leerlauf Probleme da nicht genug thermische Energie f r die Selbstz ndung durch das Abgas zur Verf gung ge stellt werden kann 14 In anderen Bereichen k nnen unvermeidbare Mischungs Innomogenit ten zu einer unzureichenden Kontrolle des Kraftstoffumsatzes f hren so dass allein die Abgasr ckhaltung bzw rezirkulation nicht ausreichend zur Kontrolle des HCCI Betriebs sind 13 Eine weitere wichtige Steuerungsmethode f r die HCCI Verbrennung die in Kombination mit der Abgasr ckhaltung verwendet wird besteht im Einsatz der Direkteinspritzung anstelle einer Saugrohreinspritzung Hierdurch kann der Kraftstoff
126. e schnelle Datenerfassung kommt das IndiModul 621 des Herstellers AVL zum Ein satz Hierbei handelt es sich um ein Echtzeit Datenerfassungsmodul mit acht Kan len von denen jeder ber einen eigenen 14 Bit 800 kHz Analog Digital Wandler verf gt Der Ein gangsspannungsbereich der Kan le betr gt 10 V Die Messdatenerfassung erfolgt Kurbel winkelabh ngig mit einer maximalen Aufl sung von 0 1 KW wobei neben der Erfassung der eigentlichen Messwerte auch abgeleitete Echtzeitberechnungen vorgenommen werden k n nen Die langsame Datenerfassung erfolgt mit Hilfe eines Datenerfassungsmoduls vom Typ DAQPAD 6015 der Firma National Instruments das mit Hilfe der IndiCom Software ausgele sen werden kann Zur Messung stehen acht differentielle Messkan le mit einer maximalen Abtastrate von 100 kHz 200 kS s differentiell gemessen und aufgeteilt auf die Kan le zur Verf gung Der Messbereich betr gt 0 10 V bei einer Aufl sung von 16 Bit 77 Im Gegen satz zur schnellen Datenerfassung erfolgt die Messung zeitbasiert so dass eine direkte Ab speicherung bzw automatische Synchronisation der langsamen und der schnellen Kan le auf Kurbelwinkelbasis in der IndiCom Software nicht m glich ist Sollen Signale die auf ei nem der langsamen Kan le aufgenommen wurden kurbelwinkelabh ngig und synchron mit den schnellen Kan len dargestellt bzw untersucht werden so muss die Synchronisation nachtr glich durch Umrechnung der Zeitachse in KW vorgenom
127. ebsbedin gungen werden sowohl die Temperaturen von K hlwasser und l als auch Druck und Tem peratur der Ansaugluft geregelt Die Steuerung des Pr fstandes und der optischen Mess technik sowie die Datenerfassung erfolgt mit Hilfe verschiedener Rechner und Steuermodu le Im Anschluss an Aufbau und Inbetriebnahme des Motors wurden Versuche zum Betriebs verhalten des Motors im fremdgez ndeten Betrieb durchgef hrt und erste optische Untersu chungen dieses Betriebszustands durch Flammeneigenleuchten und Kraftstoff LIF vorge nommen Um auch Untersuchungen im f r moderne Brennverfahren besonders interessan ten Selbstz ndbetrieb vornehmen zu k nnen wurden intensive Versuche unternommen einen selbstz ndenden Betriebspunkt zu realisieren Dieses Ziel konnte nach zahlreichen Verfahrensverbesserungen und Anpassungen der Pr fstandsausr stung erreicht werden Anschlie end erfolgten Untersuchungen dieses Betriebszustandes mit Hilfe endoskopischer Messtechniken in deren Verlauf wichtige Erkenntnisse zur n tigen Kraftstoffreinheit der Entstehung und des Abbaus von Formaldehyd CH gt O als Zwischenprodukt der Verbren nung im Verlauf des Zyklus sowie zu Quellen unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Brenn raum gewonnen werden konnten Diese Untersuchungen erfolgten sowohl mit Hilfe von LIF an Formaldehyd als auch durch Detektion von Chemilumineszenz wobei sich die Ergebnis se zu einem schl ssigen Ergebnis erg nzten Weitere vergleichende Messung
128. eden Fall bei der Beurteilung von zuk nftigen Versuchsergebnissen ber ck sichtigt und m glichst mit Hilfe einer Abgasmessung ermittelt werden Da sowohl f r die Umsetzung der HCCI Verbrennung als auch anderer Brennverfahren die Ausbreitung des Kraftstoffs im Brennraum sowie eventuell auftretende Benetzung der Brenn raumw nde der Z ndkerze oder des Kolbens mit fl ssigem Kraftstoff von gro er Bedeutung ist wurden diesbez gliche Untersuchungen sowohl mit Hilfe des Glasrings als auch ber die Endoskope vorgenommen Zur Visualisierung der Sprayausbreitung wurde das Streulicht signal der Kraftstofftr pfchen verwendet das entweder ber den Glasring oder mit Hilfe des Beobachtungsendoskops gemessen wurde Die Messungen erfolgten f r Einspritzungen zu drei verschiedenen Zeitpunkten w hrend der Verdichtungsphase wodurch der Einfluss von unterschiedlichen Druck und Temperaturbedingungen und somit der Gasdichte auf die Sprayausbreitung untersucht werden konnte Die Ergebnisse zeigen dass sich die Eindring tiefe mit Zunahme von Druck und Temperatur verringert und die Zeit bis zum Verdampfen des Kraftstoffs abnimmt Die Eindringtiefe wurde sowohl f r die mit Hilfe des Glasrings ent standenen als auch f r die endoskopischen Aufnahmen vermessen wobei eine gute ber einstimmung der ermittelten Werte vorlag und die Endoskope sowie die angewendeten Auswertemethoden somit f r die Visualisierung von Einspritzvorg ngen geeignet sind Au Berdem
129. edruck und entsprechend h herem thermischen Wirkungsgrad betrieben werden da keine Vormischung von Brennstoff und Luft erfolgt wodurch die Gefahr Klopfender Verbrennung ausgeschlossen ist Im Gegensatz zum Ottomotor bei dem im klassischen Fall vor Einleitung der Z ndung eine m glichst weitr umige homogene Gemischaufbereitung angestrebt wird erfolgt beim Die selmotor durch Einspritzen des Kraftstoffs in die vorverdichtete hei e Luft die Z ndung selbstst ndig sobald sich durch Verdampfung in der Umgebung der einzelnen Kraftstofftrop fen ein z ndf higes Gemisch ausgebildet hat Da durch diese heterogene Gemischbildung w hrend der Verbrennung sowohl sehr fette als auch sehr magere Gemischbereiche mit al len Zwischenstufen vorliegen treten beim Dieselmotor andere Schadstoffbildungsmecha nismen und Anforderungen an die Verbrennungsf hrung auf als beim Ottomotor Der grund s tzliche Verlauf der Schadstoffanteile in Abh ngigkeit vom Luftverh ltnis sowie die Entste 17 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren hungsorte der einzelnen Spezies sind in Abbildung 2 7 dargestellt und zeigen dass insbe sondere die Entstehung von Ru und NO bei der Optimierung der Verbrennung ber cksich tigt werden m ssen Die Entstehung von Ru und unverbrannten Kohlenwasserstoffen wird durch hohe Temperaturen und Luftmangel wie sie im Kern des Einspritzstrahls nach der Entflammung vorliegen beg nstigt wohingegen die Bildung von NO
130. eigt die hieraus resultierenden Betriebsgrenzen in Bezug auf anhand der ben tigten Ein spritzmengen in Abh ngigkeit des zu erreichenden Luftverh ltnisses Als Randbedingun gen zur Berechnung des Diagramms dienen ein Betrieb bei 2000 min und einem idealen Liefergrad 1 bezogen auf den Ansaugsystemdruck Dargestellt sind die Werte f r einen Ansaugsystemdruck von 1013 mbar Umgebungsdruck sowie den maximal m glichen An saugsystemdruck von 1200 mbar begrenzt durch den maximalen Auslass berdruck des Seitenkanalverdichters von ca 200 mbar und einer Ansaugtemperatur von 20 Die unter diesen Randbedingungen realisierbaren A liegen im gr nen Bereich des Diagramms Bei geringeren Liefergraden wie sie beim realen Betrieb des Motors immer mehr oder weniger stark ausgepr gt vorliegen oder geringeren Drehzahlen sind noch geringere als im Dia gramm gezeigt realisierbar 140 130 ROZ95 Ersatz 1013 mbar PRF70 1013 mbar ROZ95 Ersatz 1200 mbar PRF70 1200 mbar 120 110 a O O WO oO F rdergrenze der Hochdruck Einspritzanlage bei 2000 min oo oO 70 60 Einspritzmenge uI ES 50 40 30 20 0A 0 5 0 6 0 7 0 8 09 10 11 12 15 14 15 16 17 18 19 20 2 1 A Abbildung D 4 Ben tigte Einspritzmengen f r die Kraftstoffe PRF70 sowie ROZ 95 Ersatz in Abh ngigkeit von A D mpfung von Druckpulsationen im Niederdruckeinspritzsystem Um Druckpulsationen im Niederdruckeinspr
131. eiter entwicklung endoskopischer Messtechniken die ihrerseits in serienn heren Motoren einge setzt werden k nnen Neben dem Aufbau des eigentlichen Motors waren umfangreiche Arbeiten zur Versorgung des Motors mit Luft und Brennstoff notwendig Hierbei ergab sich die besondere Herausfor derung den Motor unter m glichst konstanten und reproduzierbaren Bedingungen zu betrei ben sowie die Anforderung der Versorgung mit hochreinen Kraftstoffen So wurden zur Ver 172 7 Zusammenfassung besserung der Ansaugluftversorgung z B ein Gebl se und ein Regelventil verwendet mit deren Hilfe sich der Ansaugdruck auf ein konstantes vom Umgebungsdruck unabh ngiges Niveau regeln l sst und zus tzlich eine elektrische Ansauglufttemperaturregelung nachge r stet Zur Versorgung mit Kraftstoff wurden sowohl ein Niederdruck als auch ein Hoch druckkraftstoffsystem aufgebaut da sich nach ersten Experimenten mit konventionellen Sys temen herausstellte dass diese aufgrund der verwendeten Kunststoffe Verunreinigungen des Kraftstoffs verursachen Die neuentwickelten Systeme wurden daher so konzipiert dass keine oder nur gut charakterisierte Kunststoffkomponenten zur Anwendung gelangen wo durch Verunreinigungen signifikant verringert werden konnten Verbunden mit den o g Ma nahmen war eine Erweiterung der Messtechnik wie auch der experimentellen M glichkeiten des Pr fstands Im Falle der Luftversorgung wurden ein Luft massenmesser mit zugeh ri
132. eitere Ein schr nkung ergibt sich f r die endoskopischen Messungen in der N he des oberen Tot punkts da bedingt durch den Einbau des Beobachtungsendoskops in den Endoskopring ab ca 70 KW vor OT die Zugangsbohrung zunehmend durch den Kolben verdeckt wird bis schlie lich der gesamte Zugang verschlossen ist Hierdurch sind Messungen in der N he des OT nur mit Hilfe des Glasrings m glich 154 6 3 Einspritzuntersuchungen Z NDKERZE EINSPRITZD SE LICHTSCHNITT NA 67 5 KW 2 3 bar 10 mm 67 5 KW 2 3 bar ee GLASRING ENDOSKOP 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 19 Vergleich der Beobachtungsbereiche bei Messungen mit Glasring und mit Endoskop Der Motor wurde f r die Versuche mit einer Drehzahl von 1200 min mit PRF70 bei einem Luftverh ltnis von A 1 4 fremdgez ndet betrieben Die Einspritzung erfolgte mit einem Druck von 120 bar F r die Temperatur des Kraftstoffs wurde davon ausgegangen dass die se sich zum Einspritzzeitpunkt aufgrund des guten thermischen Kontakts der Einspritzd se mit dem Zylinderkopf an die K hlwassertemperatur von 60 C angeglichen hatte Die Ein spritzung wurde in eine Haupteinspritzung von 13 mg ES und eine zweite Einspritzung zur Untersuchung der Sprayausbreitung von 5 6 mg ES aufgeteilt Hierbei wurde die erste Ein spritzung in allen Versuchen bei 240 KW vorgenommen wohingegen die zweite Einsprit zung wie in Abbildung 6 20 dargestellt zu verschied
133. el Einspritz Max Druckan Druckverlauf menge Station r stieg mg ES bar KW e gt zungen m s oe Abbildung 6 1 Zyklenabfolge der ersten HCCI Versuchsreihe mit extremen Druckanstiegsra ten beim Anfahren der Verbrennung Da die zu Beginn der Verbrennung im zweiten Zyklus auftretenden hohen Druckgradienten bei Betrieb mit Glasbauteilen unweigerlich zu deren Zerst rung f hren w rden wurde f r die weiteren Versuche der ersten Versuchsreihe ein Betrieb bei 1 2 angestrebt was in etwa einer Einspritzmenge von 14 mg Zyklus entspricht und eine nicht zu hohe Druckanstiegsrate erwarten lie wie aus Abbildung 6 1 hervorgeht Als Grenzwert wurde hierbei ein Wert von etwa 3 4 bar KW angestrebt der sowohl anhand der Literatur 92 als auch der vorausge 126 6 1 Versuche zum HCCl Betrieb gangenen Erfahrungen mit konventionellen fremdgez ndeten Betriebspunkten als noch ver tretbar in Bezug auf die mechanische Belastung des Motors sowie der sp ter einzusetzen den Glasbauteile angesehen wurde Bei den mit diesen Einstellungen durchgef hrten weiteren Versuchen der ersten Versuchs reihe zeigte sich in den auf den Start der Verbrennung folgenden Zyklen dass sich der Ver brennungsschwerpunkt im Verlauf von etwa 100 Zyklen zunehmend zu fr heren KW verla gerte und zunehmende Druckanstiegsraten sowie erste Anzeichen von klopfender Verbren nung typischer gezackter Druckverlauf nach ZOT
134. elle Anforderungen einzelner Brennverfahren 224002440024000enn nennen nennen 11 2 21 OOMOO GN aema a O EE 11 222 Dieselmotoren este else 17 2 2 3 Brennverfahren mit Selbstz ndung 22240020400002000nnnn nenne nenne nennen 20 2 3 Generelle Entwicklungstrends zuk nftiger Motorenkonzepte 2 2022202220022000 25 2 321 DOWISIZING ara 25 2 3 2 Mechanische Verbesserungen 2 u222202220020n0 nenne nenn anne nenne nenn nun nenne nnnenenn 29 2 393 EIYDHAISIELING ade 30 2 3 4 Verwendung alternativer Kraftstoffe u0 400244002400Rennnnnn nenne nenn nennen 31 2 3 5 Resultierende Anforderungen an zuk nftige Verbrennungsmotoren 33 2 4 Experimentelle Ansaze un a 34 2 4 1 INdIZIErMESSIECHNIK ee 36 24 2 gt BLODENEeNINahme reset E 39 2 4 3 Optische Messtechniken 2u0020000200000nnnn nenne nenne nenne nenne name enennenenn 41 2 5 N Merische Metnodena aen e en 46 2 5 1 Null und eindimensionale Berechnungen u024404400enn nenn nenn nen ernennen 47 2 5 2 Breidimensionale simulall nsa uun a ane n 49 3 Versuchstr ger optischer Motor u u uuu n nl 53 3 1 Bauformen optischer Motore M sscisrseen ana aa aa 53 3 2 ANforder ngen an den Pr lstand ausissatesi sie stellten iusl itienhi iel 57 3 3 Beispiele ausgef hrter optischer Motoren s nsensensennennennennrrnrrrrrrrrrrrrrrnrrrrrrerrerenne 58 A
135. eller Interne Gr en der Motorsteuerung Datenaufzeichnung Datenreduktion Datenspeicherung eb s Q eg go n eta nn eb a passiv aktiv mechanisch elektronisch Luft K hlmittel l Kraftstoff Drehzahl Kraft Drehmoment Druck absolut relativ Zyklusaufgel st Niedrigtemperaturen Hochtemperaturen Gasvolumenz hler Kraftstoffverbrauch Gasaufbereitung Analysatoren CO CO O NOX C H Z ndwinkel Einspritzbeginn Einspritzmasse Mittelwertbildung Inegration Spez Kraftstoffverbrauch Verbrennungskenngr en Pr fstandsspezifische Formate Export Formate Abbildung 2 12 Messgr en und ihre Erfassung im Pr fstandssystem 3 Messdaten die sich beim Motorbetrieb nur langsam ver ndern wie z B Temperaturen und Dr cke im K hlwassersystem oder die Ansauglufttemperatur k nnen leicht und zuverl ssig durch Standard Druck und Temperaturmesstechniken erfasst werden Schnell ver nderliche Messgr en wie z B die Druckverl ufe im Ansaug und Abgassystem m ssen mit einem h heren Aufwand ber das Indiziersystem s Abschnitte 2 4 1 und 5 2 erfasst werden Die Erfassung der Verh ltnisse im Innern des Brennraums gestaltet sich im Allgemeinen wesentlich schwieriger da sich dort die Messgr en schnell ver ndern und die Messtechnik so wenig Einfluss auf das System nehmen soll wie m glich Au erdem liegt teils ein hohes Druck und Temperaturniveau vor wodurch die Mes
136. emessungen oder wenn der gew nschte Messzeitpunkt noch nicht fest steht kann das Aufnahmesystem als Ringspeicher genutzt werden und erst nach Abschluss der Messung die zuletzt gemessenen Zyklen Anzahl wie oben beschrieben gespeichert werden Die Messung kann hierbei entweder per Hand durch den Bediener beendet oder alternativ durch Auftreten eines bestimmten Messergebnisses bzw Resultats automatisch gestoppt werden gilt nur f r schnelle Kan le wobei wiederum die M glichkeit besteht eine definierte Anzahl von Zyklen vor und nach dem Ausl seereignis abzuspeichern um z B die Vor und Nachgeschichte einer Fehlz ndung zu untersuchen 90 5 2 Indiziersystem und Datenerfassung 9 2 3 Druckindizierung Zur hochaufgel sten Messung der Druckverl ufe im Ansaugsystem im Zylinder sowie im Auslasssystem ist der Motor mit piezoelektrischen bzw piezoresistiven Drucksensoren aus ger stet Die Einbindung dieser Sensoren sowie deren Versorgung ist in Abbildung 5 14 dar gestellt BIS EEE RER ne 4 MESSVERSTARKER MESSVERSTARKER ZYLINDER AUSLASS mm BERWACHUNGSBOX SAUGROHR amp ANSAUG INDIZIERUNG TSENSOR SAUGROHR INDICOM RECHNER DRUCKREGLER p OPTISCHER MOTOR K HLWASSER d Z 2 K HLWASSER THERMOBAD VERSORGUNG WASSER LUFT SPANNUNG MESSSIGNAL Abbildung 5 14 Verschaltung der Saugrohr Zylinderdruck und Auslassindizierung F r die Druckverlaufsmessung im Saugrohr
137. en DRUCKMINDERER DROSSELVENTIL m 2 E penaf ese Lo ABLUFTSYSTEM 4 ASONDE m BERSTMEMBRAN e N SCHWEBEK RPER MANOMETER KALIBRIERBEH LTER DURCHFLUSSMESSER i 0 400 mbar KALIBRIERGAS IF WASCHFLASCHE Ersensau cekaurr f WASSER Abbildung 5 31 Aufbau des A Sonden Kalibrierger ts 5 6 3 Abgasmessanlage Bei der Abgasmessanlage handelt es sich um eine universelle Minimal Abgasmessanlage der Firma Pierburg Messtechnik Sie verf gt ber Analysatoren zur Konzentrationsmessung der Abgasbestandteile Kohlenmonoxid CO Kohlendioxid CO Stickstoffmonoxid NO Sauer stoff O und Kohlenwasserstoffen HC 89 Das zu analysierende Abgas wird aus dem Abgasrohr des optischen Motors entweder mit Hilfe eines schnellen Gasentnahmeventils zur getakteten Entnahme bei bestimmten Kurbel winkeln oder kontinuierlich entnommen s Abschnitt 5 6 1 Anschlie end gelangt das Abgas ber ein elektrisch beheiztes Rohrsystem zum Abgasmessschrank wobei durch einen By pass zus tzlich die M glichkeit besteht einen beheizten Probenbeh lter Gasmaus f r detailliertere Messungen z B mit Hilfe eines Gaschromatographen zu bef llen Das Abgas wird vom Abgasmessschrank aktiv mit Hilfe der Messgaspumpe ber die Messgasaufberei tungseinheit angesaugt und in der Aufbereitungseinheit gefiltert abgek hlt und von Konden 118 5 6 Abgassystem sat befreit Anschlie end gelangt es zu den einzelne
138. en In diesem Abschnitt sollen einige von verschiedenen Forschungseinrichtungen ausgef hrte und verwendete optisch zug ngliche Motoren in tabellarischer Form Tabelle 3 1 vorgestellt werden Hierbei wurde die Zuordnung zu den in Abbildung 3 2 dargestellten Grundtypen vor genommen die jedoch aufgrund der h ufigen Mischung von Merkmalen in vielen F llen nicht eindeutig vorzunehmen ist Aufgrund der gro en Vielzahl der bis heute ausgef hrten opti schen Motoren ist die untenstehende Auswahl nicht als vollst ndig anzusehen Weitere um fangreiche Informationen zu diesem Thema finden sich z B in 53 58 3 3 Beispiele ausgef hrter optischer Motoren Tabelle 3 1 Beispiele optisch zug nglicher Motoren Die Angaben der Bauform beziehen sich auf die in Abbildung 3 2 dargestellten Bauformen Bohrung Hub Vya zy Bauform Opt Zug nge Quelle 44 23 Sehr schmaler Saphir Ring mit einseitiger Wel lenkontur 4mm Wand st rke und 6mm H he 50 eingebaut im vierten Zylinder eines VW FSI Serienmotors Nur ein Zylinder mit Ab standshalter und Fens tern ausgestattet kein 41 120 65 140 1600 Variabel Kolbenfenster restliche i Zylinder werden nur f r 49 y den Massenausgleich genutzt Zwei trapezf rmige opti sche Zug nge im dach f rmigen Brennraum Einzylindermotor ohne zus tzlichen Ab EVADT der standshalter relativ klei Universit t B C Pa 349 3 e nes Fenster im Kolben 45 Rouen Durchmesse
139. en Die Str mungssimulation bie tet die M glichkeit einer detaillierten Nachbildung der physikalischen Verh ltnisse in allen durchstr mten Bereichen des Motors Insbesondere die Zylinderinnenstr mung der An saugvorgang sowie das Ausschieben der Abgase sind von Interesse da Detailfragen dieser komplexen Vorg nge nur unzureichend mit Hilfe vereinfachter Modelle beschrieben werden k nnen Ziel der Simulation ist meist eine Optimierung des betrachteten Str mungsvorgangs und des davon abh ngenden Verbrennungsablaufs wie z B der Durchmischung von An 49 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren saugluft und Brennstoff im Zylinder oder der gezielten Beeinflussung der Selbstz ndung in einem HCCI Motor 3 4 Grundlage einer jeden Str mungssimulation ist ein sinnvoll generiertes Rechengitter wel ches die Begrenzung der f r die Simulation erforderlichen Zellen definiert Abbildung 2 16 zeigt beispielhaft ein solches Rechengitter das f r Simulationsrechnungen des optischen Motors verwendet wird 36 Bei der Generierung des Gitters muss u a beachtet werden dass an den umgebenden W nden Grenzschichten auftreten in denen sich die Str mungs gr en senkrecht zur Wand in einem sehr kleinen Bereich stark ver ndern Somit muss das Gitter mit abonehmendem Wandabstand feiner strukturiert werden um diese nderungen gut abbilden zu k nnen hnlich verh lt es sich mit Bereichen der Str mung in denen starke Ver nderungen der S
140. en das mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung in der Lichtschnittebe ne platziert und mit Hilfe einer eingebauten LED Beleuchtung UV LED Wellenl nge 310 nm beleuchtet werden kann Details s Anhang G so dass die Aufnahme des Rasters bei geschlossenem Motor erfolgen konnte Mit Hilfe dieses Rasters wurden die Aufnahmen in der Nachbearbeitung nach Hintergrundabzug entzerrt und der Ma stab der Aufnahmen ermittelt Details s 23 Abbildung 6 12 obere Reihe zeigt einige der im fremdgez ndeten Betrieb entstandenen Aufnahmen der OH Chemilumineszenz bei einer Kurbelwinkelposition von 25 KW Deut lich ist hier eine von der Z ndkerze ausgehende Flammenfront zu erkennen die in ihrer Po sition und Gr e nur geringf gig von Zyklus zu Zyklus variiert 145 6 Messungen 40 50 60 Signalintensit t Abbildung 6 12 Einzelbilder der OH Chemilumineszenz im fremdgez ndeten Betrieb bei 25 KW obere Reihe und im HCClI Betrieb bei 3 KW untere Reihe Anschlie end wurden auch Messungen der OH Chemilumineszenz im HCCl Betrieb so wohl in der Hauptkompression als auch in der Zwischenkompression durchgef hrt Die Er gebnisse f r die Hauptkompression bei einem Aufnahmezeitpunkt von 3 KW sind in Abbil dung 6 12 untere Reihe dargestellt Der Ablauf der Verbrennung ist in Abbildung 6 13 an hand gemittelter Bilder 50 Einzelaufnahmen sowohl f r den fremdgez ndeten Betrieb als auch f r den HCCI Betrieb dargestellt F r die
141. en Teil f r die Ausbildung der Mischung verantwortlich ist Eine besondere Rolle kommt der Untersuchung des Ur sprungs und der Auswirkungen von Temperaturinnomogenit ten mit geeigneten optischen Messverfahren zu da diese f r den Verlauf der Selbstz ndung von hoher Bedeutung sein k nnen Weiterhin ist in Bezug auf Versuche mit Voreinspritzungen in die Zwischenkompres sion die Untersuchung der Bildung bestimmter Spezies die in der ersten Z ndstufe gebildet werden wie z B Formaldehyd CH O von Interesse um die Wirksamkeit von Verfahrens nderungen zu beurteilen s Abschnitt 6 2 24 2 3 Generelle Entwicklungstrends zuk nftiger Motorenkonzepte 2 3 Generelle Entwicklungstrends zuk nftiger Motorenkonzepte 2 3 1 Downsizing Ein effektiver Weg zur Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs besteht in einer Erh hung des effektiven Mitteldrucks d h einer Verschiebung der Motorbetriebspunkte in Kennfeldbereiche mit einem h heren Wirkungsgrad 5 Wird von einer gleichbleibenden ge forderten Nutzleistung ausgegangen so erlaubt diese Erh hung des Mitteldrucks eine Ver kleinerung des gesamten Hubvolumens 3 5 das sogenannte Downsizing Zur prakti schen Umsetzung dieses Ansatzes sind eine Reihe technischer Ma nahmen erforderlich von denen die Wichtigsten in Tabelle 2 1 zusammengefasst sind Diese Ma nahmen werden in der Regel nicht allein sondern in verschiedenen Kombinationen eingesetzt Je nach Kon zept des Motor
142. en in einer Modellbrennkammer Dissertation Technische Universit t Darmstadt 2009 A C Eckbreth Laser Diagnostics for combustion temperature and species 2 Auflage Gordon and Breach Science Publishers Amsterdam 1996 K S Wissel Lasermessverfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Kraftstoffverteilung bei motorischen Einspritzvorg ngen Dissertation Rheinisch Westf lisch Technische Hochschule Aachen 2006 180 Literaturverzeichnis 64 69 66 67 68 69 70 71 12 13 14 13 76 11 18 19 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 B B uerle Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Klopfzentren im Endgas eines Zweitakt Ottomotors mittels zweidimensionaler laserinduzierter Fluoreszenz von Formaldehyd Dissertation Universit t Stuttgart 2000 A Henle Entkopplung von Gemischbildung und Verbrennung bei einem Dieselmotor Dissertation Technische Universit t M nchen 2006 J E Dec W Hwang Characterizing the Development of Thermal Stratification in an HCCI Engine Using Planar Imaging Thermometry SAE Technical Paper 2009 01 0669 2009 AVL GmbH Betriebs Handbuch l und K hlmittel Konditionieranlage AVL 577 2006 AVL GmbH Betriebshandbuch Kompaktpr fstand 2006 AVL List GmbH Handbuch Forschungsmotor 5811 2007 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Zeichnung des Zylinderkopfes des optischen Motors Zeichnungs Numm
143. en werden m ssen 81 5 Versuchsanlage GLASRING TDLAS RING AVL EIGENBAU Bo Y Sg ENDOSKOPRING EIGENBAU STAHLDUMMY AVL Abbildung 5 9 Verschiedene Ausf hrungen des Zylinderrings Zur Erprobung endoskopischer Messtechniken dient ein Endoskopring in dem die in 23 beschriebenen Endoskope rechtwinkelig zueinander montiert werden k nnen Der Ring wird anstelle des Glasrings oder des Stahldummys eingesetzt und erm glicht so den Einsatz der Endoskope unter Bedingungen die auch mit anderen optischen Messtechniken bzw gro fl chigeren Zug ngen untersucht werden k nnen so dass vergleichbare Ergebnisse f r die Charakterisierung der Endoskope zur Verf gung stehen Des Weiteren kann der Endoskop ring auch bei optischen Versuchen in Betriebszust nden verwendet werden die f r die voll optischen Zug nge Glasring und Kolbenglas eine Gefahr darstellen wie z B HCCI Brennverfahren s Abschnitt 6 1 1 und 6 2 3 da die Endoskope wesentlich unempfindlicher gegen ber hohen Druckanstiegsraten sind In diesem Zusammenhang besteht auch die M glichkeit das Lichtschnittendoskop in eine hierf r vorgesehene Bohrung zwischen den Einlassventilen zu montieren wobei sich der Vorteil ergibt dass der Lichtschnitt nicht unmit telbar auf die Brennraumdachoberfl che trifft wodurch sich st rende Reflektionen vermeiden lassen Den grunds tzlichen Aufbau dieser Konfiguration zeigt Abbildung 5 10 Messungen in dieser Konfigurat
144. en wieder zu befestigen und die Fixierung der Nockenwelle zu l sen nur einlassseitig Durch die vorherige Fixie rung der Einlassnockenwelle in der Position des Ventilhubmaximums s o ist somit die Ein lassspreizung korrekt eingestellt Im Anschluss m ssen die Schrauben zur Befestigung der Zahnriemenscheibe auf der Auslassseite gel st und entfernt werden Hierdurch kann die Zahnriemenscheibe auf der Auslassnockenwelle verdreht werden Da nun sowohl die Ein lassnockenwelle als auch die Zahnriemenscheibe der Auslassnockenwelle drehbar sind kann nach Entfernen der Fixierung der Kurbelwelle nun die gew nschte Auslassspreizung an der Kurbelwelle eingestellt werden Ist dies geschehen wird die Kurbelwelle wieder fixiert und die Zahnriemenscheibe mit Hilfe der Schrauben wieder an der Auslassnockenwelle be festigt Abschlie end wird der Fixierbalken entfernt und die Fixierung der Kurbelwelle aufge hoben Somit sind die Steuerzeiten korrekt eingestellt Im Verlauf des gesamten Einstellvor gangs muss immer darauf geachtet werden dass es nicht zu einer Kollision der Ventile mit dem Kolben durch evtl fehlerhafte Einstellungen kommt Dies muss auch im Anschluss an die Einstellung der Steuerzeiten noch einmal gepr ft werden indem die Kurbelwelle per Hand zweimal komplett gedreht und dabei stets der Abstand zwischen den Ventiltellern und dem Kolben kontrolliert wird Hierbei sollte ein Abstand von ca 1mm Pr fen mit F hlerlehre nicht unterschritten
145. en zwischen gro fl chigen optischen Zug ngen und endoskopischer Messtechnik wurden abschlie end anhand von Eindringtiefenmessungen des Kraftstoffsprays durchgef hrt Die gewonnenen Erkenntnisse wurden zum Teil direkt f r die Verbesserung des Verfahrens oder der Technik des Pr fstands sowie der Datenauswertung eingesetzt wodurch letztendlich ein gutes Bild der Betriebseigenschaften des Motors erste Erkenntnisse zu Untersuchungsm glichkeiten verschiedener Brennverfahren sowie dem potential zuk nftiger Untersuchungen gewonnen werden konnten 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren Seit der ersten erfolgreichen praktischen Umsetzung des Viertakt Verfahrens durch Nikolaus August Otto im Jahre 1876 und der Erfindung des rationellen W rmemotors durch Rudolf Diesel zwischen 1893 und 1897 werden die Verbrennungsmotoren st ndig weiterentwickelt und verbessert 3 Hierbei spielen neben weiteren technischen sowie anwendungsbeding ten Aspekten und mit unterschiedlicher Gewichtung stets die Optimierung des Verbrauchs der Zuverl ssigkeit und die Verringerung der Schadstoffemissionen eine wichtige Rolle Zur Einf hrung in die Thematik werden zun chst die wichtigsten motorentechnischen Kenn gr en und Begriffe anhand der Umsetzung des Viertaktverfahrens im Otto und Dieselmotor erl utert und anschlie end die speziellen Anforderungen an die verschiedenen Brennverfah ren weiter vertieft Deren Bedeutung in Bezug auf das Gesa
146. enen Kurbelwinkeln in der Hauptkom pression erfolgte Hierdurch konnte der Einfluss unterschiedlicher Brennraumdr cke und Temperaturen auf das Sprayverhalten untersucht werden ohne das Betriebsverhalten des Motors durch Ver nderung des Haupteinspritzzeitpunktes und hiermit verbundener nde rungen des Mischungsverhaltens zu beeinflussen Die Wahl der Einspritzzeitpunkte erfolgte so dass ein m glichst gro er Bereich der innerhalb eines Zyklus auftretenden Dichten ab gedeckt wurde da die Dichte des Gases im Brennraum von vorrangiger Bedeutung f r die Eindringtiefe ist 95 Durch Interpolation zwischen den so gemessenen Eindringtiefen k n nen anschlie end Eindringtiefen f r nicht vermessene Gasdichten abgesch tzt werden Um die Brennraumtemperatur und somit die Dichte des Gases im Brennraum zu ermitteln wurde wie auch f r den HCCI Betriebspunkt eine 1D Simulation durch das IFKM erstellt deren Er gebnisse ebenfalls in Abbildung 6 20 dargestellt sind 155 6 Messungen 25 1700 2 Einspritzung C 3 KW p 17 5 bar T 774K p 7 86 kg m 2 Einspritzung B 30 KW 1400 m 20 g p 7 2 bar T 643K p 3 93 kg m T t 2 Einspritzung A 69 KW v p 2 1 bar T 486K p 1 52 kg m u 1100 amp lt 3 T Haupteinspritzung 240 KW Q p 0 7 bar T 368K p 0 68 kg m x 10 800 U 2 ji 5 u B i 5 A j N 5 ruc H 500 Dichte Temperatu
147. entile werden wie auf der Einlassseite durch einen Rollen schlepphebel mit hydraulischem Ventilspielausgleich bet tigt Der Antrieb erfolgt direkt durch die Auslassnockenwelle Die Auslassventile haben einen Durchmesser von 28 mm und der Ventilhub betrug bei allen in dieser Arbeit vorgestellten Versuchen 3 5 mm Ein gr erer Ventilhub von 5 0 mm kann bei Bedarf durch Verwendung einer ebenfalls vornandenen No ckenwelle Auslieferungszustand realisiert werden 11 5 Versuchsanlage Das Verstellen der Ventilsteuerzeiten Einlass und Auslassspreizung s Anhang B kann nur bei stehendem Motor vorgenommen werden da keine hydraulischen Nockenwellensteller am Motor installiert sind Deren Verwendung ist zwar prinzipiell durch bereits vorhandene Positionsgeber und Geberscheiben an den Enden der Nockenwellen vorbereitet wurde je doch bisher nicht umgesetzt Zur Anpassung der Steuerzeiten m ssen daher die Zahnrie menscheiben an den Nockenwellen gel st und die Nockenwellen bei fixierter Kurbelwelle auf die gew nschten Steuerzeiten eingestellt werden Hierzu sind auf den Zahnriemenschei ben winkelskalierte Scheiben angebracht deren Nullpunkt auf den Skalen als OT einge zeichnet das Maximum des Ventilhubs d h den h chsten Punkt der Nocke markiert Bei der Einstellung muss in jedem Fall darauf geachtet werden dass die Ventile auch bei Varia tion des Ventilhubs unter keinen Umst nden mit dem Kolben kollidieren k nnen Details zur Einste
148. enwasserstoffe herbeizuf hren Hierbei sollte der Einfluss einer unvollst ndigen Verbrennung aufgrund schlechter Durchmi schung m glichst gering gehalten und somit m glichst nur der Anteil unverbrannter Kohlen wasserstoffe aus den Brennraumspalten gesteigert werden Details zu diesen Versuchen werden in Abschnitt 6 2 3 dargestellt und im Zusammenhang mit optischen Messungen un verbrannter Kohlenwasserstoffe im Brennraum n her erl utert Bezogen auf die Bestimmung von A zeigen diese Untersuchungen dass durch unverbrannten Kraftstoff der Sauerstoffge halt des Abgases ansteigt was zu einem h heren gemessenen X und somit zu einer zu klei nen daraus berechneten Einspritzmenge f hrt Au erdem l sst sich nicht zweifelsfrei der Anteil des Kraftstoffes bestimmen der nachtr glich noch an der A Sonde umgesetzt wird oder auf andere Weise die Messung beeinflusst Dies wird aus dem Verlauf des A Signals bei fr hen und bei sp ten Einspritzzeitpunkten deutlich welches sich nicht eindeutig durch den Sauerstoffgehalt oder die Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe erkl ren d h 116 5 6 Abgassystem rechnerisch nachvollziehen l sst Bei gutem Betriebsverhalten stabile Verbrennung gute Schwerpunktlage etc kann die Einspritzmengenbestimmung ber X daher mit einem gewis sen Fehler verwendet werden jedoch sollte immer auch die A Bestimmung zus tzlich mit Hilfe der kalibrierten Einspritzmengen und der Ansaugluftmenge erfolgen F r Messunge
149. er 4 553 024 M nchen 2006 Special Metals Corporation The NILO and NILOMAG Nickel Iron Alloys 2013 GWI Grazyna Walawski Industriesaphire Eigenschaften von Monokristall Saph r 2013 Heraeus Quarzglas GmbH amp Co KG Base Materials Heraeus Quarzglas 2013 K H Grote J Feldhusen Dubbel Taschenbuch f r den Maschinenbau 19 Auflage Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1997 A Klein C Meffert O Witzel C Schulz V Ebert In situ Restgasquantifizierung mit Diodenlaser Absorptionsspektroskopie Forschungsbericht Universit t Duisburg Essen Universit t Heidelberg 2010 Edmund Optics GmbH Produktdatenblatt Metallic Mirror Coatings 2013 National Instruments Germany GmbH Datenblatt zur Messkarte DAQPAD 6015 NI DAQPad 6015 6016 Family Specifications 2005 AVL GmbH Ger tehandbuch zum Kurbelwinkelgeber 365C 2006 A P Watkinson D I Wilson Chemical Reaction Fouling A Review Experimental Thermal and Fluid Science 14 361 374 1997 D Bensing Auswertung Kraftstofffluoreszenzmessungen Auswertung Kraftstofffluoreszenz 2011_08_29 xIs Duisburg 2011 Robert Bosch GmbH Operating Manual ES HDEV1 1999 ScienLab electronic systems Beschreibung der sSteuersoftware und Bedienungsanleitung zur DICU200 25C4 2006 International Rectifier Datenblatt PD 91702B IRL1004 HEXFET Power MOSFET 1999 Aerzener Maschinenfabrik GmbH Datenblatt Drehkolbengasz hler 2006 A Kushwaha Development a
150. er CH gt O Fluoreszenz erfolgte wie in Abbildung 6 3 dargestellt durch das Kolbenfenster Hierbei wurde das im Brennraum emittierte Fluoreszenzsignal zun chst ber den in der Kolbenverl ngerung angeordneten Spiegel UV optimierter Aluminium Spiegel Edmund Optics Typ Y43 579 umgelenkt und durch einen Bandpassfilter f r 435 nm Band breite 17 5 nm gefiltert um Laserstreulicht und Flammeneigenleuchten weitestgehend zu unterdr cken Die Erfassung des gefilterten Signals erfolgte anschlie end mit Hilfe eines UV Objektivs UV Nikkor f 105mm f4 5 und einer bildverst rkten CCD Kamera LaVision Flame Star 2 Anregungs und Detektionswellenl ngenbereich sind in Abbildung 6 4 anhand des Absorptions und Emissionsspektrums von CH O dargestellt Anregung 355 nm HE 235 265 295 325 355 385 415 445 475 505 535 Wellenl nge nm Detektion 435 17 5 nm Intensit t w E Abbildung 6 4 Lage der Anregungs und Detektionswellenl ngen im Absorptions blau und Emissionsspektrum gr n von CH gt O bei Umgebungsbedingungen 64 134 6 2 Messungen in der Vorz ndung Da zur Zeit der Messungen noch kein selbstz ndender Betriebspunkt realisiert war wurde der Motor mit Fremdz ndung bei 25 KW aber bereits mit einer Zwischenkompression be trieben um HCCl Betriebsbedingungen so nah wie m glich zu kommen Die Einstellung der Zwischenkompression erfolgte durch eine Einlassspreizung von 140 KW und eine Auslass spreizung von 90 KW
151. er Schadstoffemissionen und der Leistungsdaten eines Verbrennungsmotors allerdings ist es mit ihnen nicht m glich r umlich aufgel ste Informationen aus dem Brennraum zu gewinnen da dieser Bereich f r Sonden praktisch nicht zug nglich ist Au erdem k me es selbst wenn dies m glich w re aufgrund der unvermeidlichen Beeinflussung durch Sonden und Messf hler zu einer starken Verf lschung der Messergebnisse F r diese Aufgabe kommen ausschlie lich optische Methoden in Frage da sie zahlreiche neue und durch kein anderes Verfahren zu realisierende M glichkeiten zur Messung gegen ber den bisher beschriebenen Methoden er ffnen Ein wichtiger Vorteil besteht darin dass mit ihnen ber hrungslose Messungen m glich sind Hierdurch besteht nicht die Gefahr einer Kollision zwischen bewegten Bauteilen des Motors wie Kolben und Ventilen so dass auch Bereiche des Brennraums die im Verlauf eines Zyklus von diesen Bauteilen durchlaufen werden vermessen werden k nnen Au erdem ist in den meisten F llen die Durchf hrung einer Messung m glich ohne dass die physikalischen und chemischen Vorg nge im Brenn 41 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren raum beeinflusst werden da entweder nur passiv im Brennraum emittierte Strahlung detek tiert wird oder falls eine gezielte Anregung erforderlich ist die verwendeten Energiedichten so gering sind dass sie nicht zur Beeinflussung der Vorg nge f hren Ein weiterer Vorteil ist
152. er im HCCl Betrieb und bietet zudem eine wesentlich ver barkeit des Messaufbaus 75 100 Messungen mit diesem Ring wurde f hrt jedoch bisher nicht publiziert In Zukunft sollen diese Messungen mi TDLAS Z ndkerzensensors verglichen werden und so letztendlich die Messverfahrens zur Ermittlung des Restgasanteils in optisch sonst nur sc Motoren wie z B Serienmotoren erm glichen 166 6 5 Verbesserungspotentiale f r bestehende und zuk nftige Pr fst nde 6 5 Verbesserungspotentiale f r bestehende und zuk nftige Pr fst nde Obwohl im Laufe des Aufbaus des Pr fstands und der Durchf hrung der Versuche kontinu ierlich Verbesserungen am bestehenden Aufbau vorgenommen und so die Zuverl ssigkeit und Handhabbarkeit des optischen Motors verbessert werden konnte bestehen noch Punk te in denen Verbesserungen w nschenswert oder in Bezug auf zuk nftige Messanforderun gen notwendig sind Aus den im Laufe der Zeit gemachten Erfahrungen lassen sich zudem Erkenntnisse ableiten die in die zweckm ige Gestaltung zuk nftiger Pr fst nde einflie en k nnen um deren effiziente Nutzung und Bedienbarkeit zu verbessern Diese Potentiale sollen in den folgenden zwei Abschnitten n her erl utert werden 6 5 1 Verbesserungen am bestehenden Pr fstand Wie sich im Laufe der Versuche insbesondere der HCCI Versuche immer wieder gezeigt hat kommt der genauen Regelung des Ansaugluftzustands auf konstante und reproduzier bare Werte eine ents
153. er und Umschaltventil 993 Luftmengenbestimmung Zur Bestimmung der Ansaugluftmenge wird der in Abbildung 5 26 gezeigte Drehkolbengas z hler der Firma Aerzen Typ ZB 039 0 Messbereich 6 65 m h verwendet der in der An saugstrecke direkt nach der Luft bzw Stickstoffdruckregelung angeordnet ist s Abbil dung 5 13 Der Messbereich deckt den gesamten sinnvoll nutzbaren bzw zul ssigen Dreh zahlbereich 500 bis 3000 min des Motors bei einem Liefergrad von 1 Ansaugvolumen str me von 7 5 bis 45 m h ab Dieser Z hler besitzt prinzipbedingt einen geringen Druck verlust max 2 mbar und eine gute Messgenauigkeit 0 1 0 2 Abweichung je nach Be triebspunkt und ist in Kombination mit einem vorgeschaltetem Beruhigungsvolumen unemp findlich gegen ber geringen ansaugbedingten Druckpulsationen 84 107 5 Versuchsanlage T UFTAUSTRITT UNTERDRUCKVENTIL F Py y S i NDUKTIVER GEBER aman PIGA DREHKOLBENGASZ HLER LUFTEINTRITT EINLAUFBEH LTER Abbildung 5 26 Drehkolbenz hler Das Volumen der angesaugten Luft wird ber die Drehzahl der Drehkolben bestimmt Die Messung der Drehzahl erfolgt hierbei ber hrungslos durch einen induktiven Geber der in das Geh use des Z hlers so eingebaut ist dass die Spitzen eines der Drehkolben w hrend ihres Vorbeilaufs in Form von Rechteckpulsen erfasst werden k nnen F r jeden Umlauf des Drehkolbens werden somit zwei Pulse erzeugt Da der Drehkolbenz hler ber ei
154. erisiert dass die Fremd Z ndung ausgeschaltet werden konnte oh ne dass ein Einfluss auf das Brennverhalten zu beobachten war Aus Sicherheitsgr nden wurde die Z ndung jedoch mit sp tem ZZP weiter betrieben Z ndzeitpunkt 30 KW um eventuelle Z ndaussetzer abfangen und so die bertragung gro er Mengen unverbrannten Kraftstoffs mit den f r die erste Versuchsreihe genannten Folgen zu vermeiden Mit diesen Einstellungen konnte der Motor bis zu 15 min im HCCl Betrieb gefahren werden abh ngig davon wann der Betrieb in Folge einer zuf llig auftretenden Fehlz ndung abgebrochen wer den musste Ein beispielhafter Druckverlauf dieses Betriebszustands ist in Abbildung 6 2 dargestellt Die zugeh rigen Betriebsparameter sind in Tabelle 6 2 zusammengefasst 35 1400 Ko a DD N O N O R R B nn 30 1 TtTttN Druckverlauf Experiment TI TI TH TI TTTT 1250 Druckverlauf Simulation js J ma Temperaturverlauf Simulation LI 1100 T L z naa _ D x m 20 4 A t 950 Bun u 2 m 5 mmm a 15 4 e r o T 800 gr 10 14 11 Da a a DD ws 650 5 4 it m 500 L 0 a RE DR RR DR RR RR DR RR D amp _ u a 1 I 1 i 1 1 j i 350 Kurbelwinkel Ansaugluft Einspritz Druckverlauf menge menge a ii bar g min mg ES
155. ermitteln F r Messungen bei denen nur zum Teil stabile Betriebsbedingungen vorliegen wie z B f r die Einspritzzeitpunkte von 270 bis 250 KW m ssen diese Zeitab schnitte mit der entsprechenden Anzahl an Zyklen verwendet werden um die Kohlenwasser stoffemissionen zu ermitteln Analoge Auswertungen k nnen auch auf die Messwerte der brigen Abgasbestandteile angewendet werden um deren mittlere Emissionswerte zu be stimmen 121 6 Messungen 6 Messungen Ein in der aktuellen Forschung untersuchtes Verfahren zur Realisierung eines ber einen gro en Lastbereich einsetzbaren HCCI Brennverfahrens besteht in der Verwendung einer geringen in die Zwischenkompression eingespritzten Kraftstoffmenge zur gezielten Erzeu gung von Radikalen und W rme die zur Beeinflussung der Selbstz ndung in der Hauptkom pression und somit zur Steuerung der Verbrennung verwendet werden sollen Da hierbei die Konzentration der in der ersten Z ndung Vorz ndung Cool Flame Reaction s Abschnitt 2 2 3 gebildeten Radikale von hoher Bedeutung f r den Erfolg des Verfahrens ist 13 15 besteht zur Weiterentwicklung und Erforschung des Verfahrens ein hohes Interesse an der Untersuchung eines entsprechenden Betriebszustandes mit Hilfe optischer Diagnoseverfah ren Aus diesem Grund wurde zun chst mit der Realisierung eines selbstz ndenden Be triebspunktes HCCI Betriebspunkt am optischen Motor begonnen Dieser konnte nach ver schiedenen Anpassungen
156. ers der gleichzeitig zur Befestigung der D se im Saugrohr dient SPANNSCHRAUBEN pe ad ANSCHLUSSPLATTE KRAFTSTOFFANSCHLUSS EINSPRITZD SE Abbildung 5 22 Einbau der Saugrohreinspritzd se im Saugrohr Zur Ansteuerung der Saugrohreinspritzd se dient ein von der ETU generiertes TTL Signal Dieses wird zur Ansteuerung eines Vorschaltger tes genutzt das mit Hilfe eines TTL triggerbaren MOS FET Typ IRL 1004 Beschaltung s Datenblatt 83 die Betriebsspan nung 12 V an die D se durchschaltet Im Gegensatz zur Ansteuerung der Hochdruckd sen wird kein spezielles Einspritz Stromprofil durchfahren sondern der Stromverlauf ergibt sich aus den elektrischen bzw magnetischen Eigenschaften der Einspritzd se s Anhang D Durch Vergleich des gemessenen Stromverlaufs mit der Einspritzmenge kann davon ausgegangen werden dass hnlich wie bei der Mehrlochd se zun chst eine Vormagneltisie 103 5 Versuchsanlage rung der D sennadel erfolgt bis diese schlie lich ab ca 1 6 ms nach Start des Ansteuersig nals ffnet und somit der Kraftstoffaustritt erm glicht wird Ab einer Ansteuerdauer von ca 2 2 ms folgt die Einspritzmenge der Ansteuerdauer n herungsweise linear Bei der Vermessung des Einspritzverhaltens bei 2000 min fiel auf dass die gemessenen Einspritzmengen ab ca 15 ul ES stark um die Werte der Messungen bei 1000 min streuten und nicht reproduzierbar waren Zur Ermittlung der Ursache wurde der Kraftstoff
157. erung der Olverdampfung im Brennraum von Ottomotoren Dissertation Technische Universit t Hamburg Harburg 2009 E Greis Laseroptische Untersuchungen des Verbrennungsprozesses in einem PKW Dieselmotor Dissertation Rheinisch Westf lisch Technische Hochschule Aachen 2007 A Winkler Validierung eines Modells zur Vorhersage turbulenten Verbrennungsl rms Dissertation Technische Universit t M nchen 2007 K Sch nzlin Experimenteller Beitrag zur Charakterisierung der Gemischbildung und Verbrennung in einem direkteinspritzenden strahlgef hrten Ottomotor Dissertation Eidgen ssisch Technische Hochschule Z rich 2002 C Arcoumanis T Kamimoto Flow and Combustion in Reciprocating Engines 1 Auflage Springer Berlin Heidelberg 2009 M Raffel C E Willert S T Wereley J Kompenhans Particle Image Velocimetry A Practical Guide 2nd Edition Springer Berlin Heidelberg 2007 C Schulz V Sick Tracer LIF diagnostics quantitative measurement of fuel concentration temperature and fuel air ratio in practical combustion systems Progress in Energy and Combustion Science 31 75 121 2004 D R Snelling K A Thomson G J Smallwood O L G lder Two dimensional imaging of soot volume fraction in laminar diffusion flames Applied Optics 38 2478 2486 1999 B F Kock Zeitaufgel ste Laserinduzierte Inkandeszenz TR Lil Partikelgr enmessung in einem Dieselmotor und einem Gasphasenreaktor Dissertation Universit t Du
158. erzichtet werden und eine sehr einfache Umschaltung zwischen Luft und Stickstoffversorgung erfol gen Bei entsprechend druckfester Auslegung des Ansaugsystems kann auch auf die Ver wendung des 0 9 Verdichters verzichtet werden sofern ein erh hter Ansaugdruck er w nscht ist Da mit diesem Umbau jedoch ein hoher konstruktiver zeitlicher und finanzieller Aufwand verbunden w re bietet sich die Verwendung eines solchen Ansaugluftsystems eher f r den Aufbau eines neuen Pr fstands an Zur Verbesserung des Anfahrens von HCCI Betriebspunkten k nnte des Weiteren die Nach r stung einer variablen Nockenwellensteuerung VANOS zur stufenlosen Einstellung der Steuerzeiten im laufenden Betrieb in Betracht gezogen werden um so mit variablen Einstel lungen einen kontinuierlichen bergang zwischen fremdgez ndeter und HCCI Verbrennung zu erm glichen Diese M glichkeit wurde bereits bei vielen Bauteilen w hrend der urspr ng lichen Planung ber cksichtigt Nockenwellenanschluss lversorgung Nockenwellenpositi onsgeber Kabelbaum jedoch bisher nicht umgesetzt Hierbei ist jedoch auch zu ber cksich tigen dass diese Variabilit t die Gefahr birgt durch unbeabsichtigte Einstellung falscher Steuerzeiten eine Kollision von Ventilen und Kolben hervorzurufen was unweigerlich zu gro Ben Sch den am Motor f hren w rde Bei all diesen m glichen nderungen sollte neben der eigentlichen Verbesserungsma nah me auch der Einfluss auf den Pr fsta
159. et werden k nnen 3 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren Neben der Druckerfassung ist f r die Messung der Zylinderdruckverl ufe auch immer zwin gend eine Messung des Kurbelwinkels erforderlich um eine korrekte Zuordnung zwischen Druck und Kolbenposition vornehmen zu k nnen und au erdem eine gemeinsame Basis f r weitere Messgr en zu schaffen Die Erfassung des Kurbelwinkels erfolgt blicherweise mit Hilfe eines optischen Kurbelwinkelsensors bei dem die auf einer Glasscheibe aufgebrachten Teilstriche eine Winkelaufl sung von 0 1 KW erlauben Die Teilung wird optisch abgetastet und das Signal in ein analoges Spannungssignal Kurbelwinkelmarken erscheinen als Sig nalpeak umgewandelt welches ebenfalls vom Indizierger t erfasst wird Zur Festlegung des oberen Totpunktes OT wird eine zus tzliche Referenzmarke verwendet deren relative Po sition zum realen OT mit Hilfe einer Druckmessung oder eines kapazitativen Sensors be stimmt und im Indiziersystem gespeichert wird Die Erfassung zus tzlicher Signale erfolgt analog zu dem oben beschriebenen Vorgehen mit Hilfe geeigneter Sensoren f r die zu er fassende Gr e Der so gewonnene Zylinderdruckverlauf liefert wichtige Hinweise zur Beurteilung der Ver brennung wie z B den Spitzendruck und den maximalen Druckgradienten Durch Verwen dung verschiedener empirischer und halbempirischer Ans tze k nnen aus dem Zylinder druckverlauf u a der Brennverlauf und die Brennf
160. etektion kommen in der Regel f r den UV Bereich op timierte Aluminiumspiegel Edmund Optics Typ Y43 579 zur Anwendung die einen gro en Wellenl ngenbereich 250 bis 700 nm mit einer Reflektivit t von mehr als 85 76 abde cken Werden spezielle Anforderungen gestellt weil nur wenig Signal zur Verf gung steht oder eine m glichst gro e Laserenergie eingekoppelt werden soll so k nnen auch spezielle f r einzelne Wellenl ngen optimierte Spiegel verwendet werden PRESSLUFTZUFUHR K HLLUFTAUSTRITT A e r N 3 EEN Pl 5 SPIEGEL SPIEGELHALTER RASTBOLZEN ENDLAGENSCHALTER TR GERPLATTE Abbildung 5 11 Spiegelhalter in ausgefahrenem Zustand Um die Reinigung sowie das Auswechseln der Spiegel zu erleichtern ist der Spiegelhalter auf einer Kugelumlauff hrung verfahrbar montiert und mit Endanschl gen versehen um eine reproduzierbare Positionierung des Spiegels zu erm glichen Da auf Positionen zwischen den Endlagen die Gefahr besteht den Spiegelhalter durch versehentliches Absenken der hydraulischen Andr ckplatte zu zerst ren werden an den beiden Endlagen ber den Rast 84 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand bolzen Endlagenschalter bet tigt die die Hydraulikanlage nur in diesen Positionen freischal ten Neben der Aufgabe den Spiegel sicher und pr zise unter dem Kolbenglas zu positionie ren hat der Spiegelhalter au erdem die Aufgabe den Kolben durch Anblasen mit Pressluft w h
161. etr gt der F rdervolumenstrom etwa 120 m h und ist somit bei 2000 min mindestens viermal so hoch wie der unter idealen Bedingungen Liefergrad 1 erforderliche Ansaugvolumenstrom von 30 m h so dass auf jeden Fall eine ausreichende Versorgung des Motors gew hrleistet wird Eine bersicht des maximalen berdrucks in Abh ngigkeit von der Drehzahl des Mo tors bei einem Liefergrad von 1 wird in Anhang E gezeigt Das in Abbildung 5 24 gezeigte Ansaugluftregelventil besteht aus einem ringf rmigen Schie ber mit einem rechteckigen Ausschnitt der auf einem Rohr in das ebenfalls ein rechteckiger Ausschnitt eingebracht ist drehbar gelagert ist so dass durch Verdrehen des Schiebers ein variabler Ausstr mquerschnitt zur Verf gung steht ber diesen Querschnitt kann ein Teil der verdichteten Ansaugluft zur Regelung des Ansaugdrucks abgeblasen werden Der An trieb des Schiebers erfolgt ber einen Zahnkranz und einen Elektromotor Dieser wird mit Hilfe einer Endstufe durch einen in Labview programmierten Regler angesteuert Als Regel gr e dient der vor dem Luftmengenmesser gemessene Druck s Abschnitt 5 5 3 Um auch bei ge ndertem Luftbedarf des Motors Drehzahl nderung ver nderte F llung oder ver n dertem Ansaugdruck eine gute Regelcharakteristik zu erzielen kann die Schlitzbreite manu ell durch Verschieben des Rohrs angepasst werden Hierbei muss bei gro em Luftbedarf oder h herem Ansaugdruck des Motors die Schlitzbreite verkle
162. f r moderne Motoren Abgasleitung Turbine Abgas Turbolader Staurohr Motor Ka oO ber O Arbeitsmaschine Abbildung 2 15 Stark vereinfachtes Modell eines aufgeladenen Dieselmotors 4 Die Energieumwandlung im Brennraum wird in vielen F llen unter Annahme eines ideal ver r hrten homogenen Reaktors anstelle des Brennraums mit Hilfe semiempirischer Ans tze als nulldimensionaler Ersatzbrennverlauf in das Modell einbezogen 3 Hierbei muss das Modell dem jeweils vorliegenden Motortyp angepasst sein also u a die Art der Kraftstoffzu fuhr Ottomotor im Saugbetrieb Dieselmotor oder Benzindirekteinspritzer die Verdamp fungsenthalpie des Kraftstoffs sowie den Restgasanteil ber cksichtigen Des Weiteren wird ein Verbrennungsmodell ben tigt das die W rmefreisetzungsrate beschreibt sowie ein W rme bergangsmodell das f r eine sinnvolle Ber cksichtigung der Wandw rmeverluste sorgt F r Verbrennungsmodell und W rme bergangsmodell existieren mannigfaltige Ans t ze so dass an dieser Stelle auf die spezielle Fachliteratur z B 4 verwiesen wird Viele dieser Ans tze sind standardm ig in den Berechnungsprogrammen hinterlegt und k nnen je nach Anwendungsfall in das Modell implementiert werden Der Zu und Abfluss der Luft bzw des Gemisches wird ber das Ladungswechselmodell beschrieben Zum Abgleich des Modells wird bei bereits vorhandenen Motoren der mittels Indiziersystem gemessene Zylin derdruck s
163. fe Druck MPa O PP N U A u 9 N O 0 000 0 005 0 010 0 015 0 020 Zeit s Abbildung 2 8 Zweistufiger Verlauf der Z ndung eines Alkan Luft Gemisches in einer rapid compression machine nach 4 Die Selbstz ndung gem den oben beschriebenen Mechanismen unterliegt einer Vielzahl von Einflussfaktoren wie z B der lokalen und globalen Gemischzusammensetzung der Durchmischung von Frischluft Abgas und Kraftstoff der Temperatur Druck Historie der Mi schung Motortemperatur Ansaugtemperatur sowie den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Brennstoffs 13 14 Hierdurch wird insbesondere in transienten Motor 22 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren betriebszust nden mit sich st ndig ndernden Randbedingungen eine hinreichend genaue Steuerung des Umsatzschwerpunktes enorm erschwert so dass eine Reihe von Ans tzen untersucht werden um dieses Problem zu l sen Ein wichtiger Ansatz der in allen Verfahren zur Regelung herangezogen wird besteht im Zur ckhalten oder dem Wiederansaugen von hei em Abgas um ein ausreichendes thermi sches Niveau der Mischung zum gew nschten Selbstz ndzeitpunkt zu gew hrleisten Hierzu kann auf verschiedene Arten vorgegangen werden Zum einen ist es m glich die Einlass ventile w hrend des Ausschiebens kurzzeitig zu ffnen so dass Abgas in das Ansaugsystem gelangt und in der folgenden Ansaugphase wieder in den Brennraum gesaugt wird In hnli cher Weis
164. fenstern oder einem kompletten Glasring bestehen 42 Hierdurch ergibt sich ein sehr guter Zugang zum Brennraum allerdings mit dem Nachteil dass die Kolbenringe um die H he des Abstands halters am Kolben nach unten versetzt werden m ssen damit sie nicht ber die Glasteile 55 3 Versuchstr ger optischer Motor bzw den bergang zwischen Laufbuchse und Abstandshalter gleiten wodurch sowohl Kol benringe als auch Fenster besch digt w rden Aufgrund des h heren Abstands zwischen Kolbenoberkante und erstem Kolbenring ergibt sich ein vergr erter Feuersteg durch den das Verdichtungsverh ltnis verringert und der Anteil nicht verbrannten Kraftstoffs vergr ert wird 46 Auch unterscheiden sich die thermischen Eigenschaften der Glasbauteile von der urspr nglichen Brennraumoberfl che und erfordern in den meisten F llen eine Einschr n kung des Lastbereichs und der Betriebszust nde da sie relativ empfindlich auf hohe Dru ckanstiegsraten und insbesondere Klopfen reagieren Da mit den bisher beschriebenen Zu g ngen nur vertikale Schnitte durch den Brennraum untersucht werden k nnen wird als zu s tzliche Modifikation zur Betrachtung horizontaler Schnittebenen in vielen F llen ein weite rer Zugang in Form eines in den Kolben eingebauten Fensters geschaffen 46 47 Um die ses Fenster nutzen zu k nnen muss der Kolben verl ngert und seitlich geschlitzt werden so dass ein Spiegel innerhalb des hohlen Kolbens unterhalb des Kolben
165. fensters untergebracht werden kann sog Bowaditch Bauweise 48 Durch die Verl ngerung des Kolbens wird zus tzlich der Einbau einer verl ngerten Laufbuchse bzw eines Spiegelgeh uses zwischen Kurbelgeh use oberhalb der urspr nglichen Laufbuchse und dem Zylinderkopf bzw dem Abstandshalter sowie die Verwendung weiterer Kolbenringe meistens Graphit oder Bronze gef llter Kunststoff erforderlich um eine ausreichende F hrung und Abdichtung des nun sehr langen Kolbens zu gew hrleisten Vorteilhaft an dieser Konstruktion ist die M glichkeit das Eindringen von l aus dem Kurbelgeh use in den optisch zug nglichen Brennraum zu unterbinden was die Verschmutzung der Fenster verringert und auch den st renden Einfluss von z B lfluoreszenz verhindert Nachteilig ist das hohe Gewicht der Kolbenverl ngerung durch das sich die maximale Drehzahl des Motors in der Regel auf 2000 3000 min verrin gert 47 49 Insgesamt ergibt sich durch die genannten nderungen bereits eine signifikante Beeinflussung des Betriebsverhaltens die jedoch f r grundlegende Untersuchungen in An betracht des Zugewinns an optischer Zug nglichkeit durchaus sinnvoll und akzeptabel ist F r die praktische Umsetzung der 0 9 Konzepte bestehen unterschiedlichste M glichkeiten so dass hier nur einige h ufig verwendete Konstruktionen kurz geschildert werden sollen Ein oftmals angewendeter Ansatz ist die Nutzung eines kompletten Serienmotors bei dem einer der
166. fgenommen wird und somit ein zweidimensionales Bild der Speziesverteilung in der beleuchteten Ebene liefert Laserinduzierte Fluoreszenz LIF F r qualitative Messungen mit diesem Verfahren z B zur Messung der Flammenausbreitung kann die spektral breitbandige und je nach Kraft stoffherkunft stark variierende Fluoreszenz von kommerziellen Kraftstoffen genutzt werden Sollen jedoch quantitative Messungen der Kraftstoffkonzentration oder Temperaturmessun gen s Kapitel 4 3 durchgef hrt werden so wird in der Regel auf hochreine Ersatzkraftstoffe mit speziellen Kraftstoffkomponenten Tracern deren Fluoreszenzeigenschaften genau be kannt sind zur ckgegriffen 33 Bei der Laserinduzierten Inkandeszenz LII wird ein leistungsstarker Laser im sichtbaren oder nahinfraroten Wellenl ngenbereich meist 532 oder 1064 nm zu einem Lichtschnitt geformt und dazu verwendet die Ru partikel einer Ebene w hrend des Laserpulses bis an die Verdampfungstemperatur aufzuheizen Das resultierende Strahlungssignal ist ann hernd proportional zur Ru konzentration so dass zweidimensionale Messungen der Ru konzent rationsverteilung m glich sind 34 Wird die Aufheizung der Ru partikel hingegen auf einen kleinen punktf rmigen Bereich beschr nkt kann das auf die Aufheizung folgende abklin gende Strahlungssignal verwendet werden um zusammen mit einem numerischen Modell des Abk hlverhaltens der Partikel eine Partikelgr enverteilung zu erstellen
167. findliche Kamerasystem bertragen werden Details zur Auslegung dieser Endoskope finden sich in 43 und zur prak tischen Anwendung f r unterschiedliche Messaufgaben sowie zum Einsatz an unterschiedli chen Versuchstr gern in 23 F r die Versuche wurden zwei verschiedene Anordnungen verwendet die in Abbildung 6 9 dargestellt sind In beiden Aufbauten erfolgte die Anregung durch einen Nd YAG Laser mit einer Wellenl nge von 355 nm BMI AL 152 C max 70 mJ Puls 8ns Pulsdauer dessen Strahl mit Hilfe eines Strahlf hrungsarmes LaVision in das Endoskop eingekoppelt wurde Aufgrund der in diesem Arm zur Umlenkung verwendeten sieben Spiegeln betr gt die nutz bare Pulsenergie am Austritt des Arms noch etwa 30 mJ Puls welche jedoch durch Verrin gerung der Laserleistung auf die zuvor genannten f r die Endoskope maximal zul ssigen Leistungen von 7 bzw 3 MJ Puls begrenzt werden Der Einsatz des Strahlf hrungsarms war zwingend notwendig da zum einen unterhalb der Ansaugrohre nur wenig Raum f r den Auf bau einer konventionellen Einkopplungsoptik zur Verf gung steht und zum anderen auch geringf gige Lage nderungen des Motors im Betrieb in Bezug auf eine feststehende Ein kopplungsoptik die sinnvolle Einkopplung des Lasers in die Lichtschnittendoskope unm g lich machen Im Aufbau A kam zun chst das Kontinuierliche Lichtschnittendoskop zum Ein satz und wurde sp ter durch das Einzelstrahlen Lichtschnittendoskop ersetzt Die Endosko pe ware
168. ft experimentelle Unter suchungen zwingend erforderlich um das Verst ndnis der Zusammenh nge zu erweitern und Daten f r die Verbesserung von Simulationsrechnungen zu liefern F r diese Messun gen spielen insbesondere optische Messtechniken eine immer wichtigere Rolle da nur mit ihnen zeitlich und r umlich hochaufgel ste Untersuchungen im Brennraum eines Verbren nungsmotors m glich sind ohne die Vorg nge an sich zu beeinflussen Hierbei k nnen so wohl endoskopische als auch gro e optische Zug nge ber Glasbauteile mit ihren jeweiligen Vor und Nachteilen zur Anwendung gelangen Ausgehend von dieser Motivation wurde im Rahmen dieser Arbeit ein optisch zug nglicher Einzylindermotor mit den wichtigsten Merk malen eines modernen Otto Kraftfahrzeugmotors aufgebaut in Betrieb genommen und durch verschiedene Untersuchungen charakterisiert Der Motor verf gt ber zwei gro fl chige optische Zug nge Der erste besteht aus einem Kolbenfenster im verl ngerten Kolben wohingegen der zweite Zugang ber einen den obe ren Bereich des Brennraums umschlie enden Glasring gebildet wird Weiterhin bietet der Motor die M glichkeit zur Erprobung endoskopischer Messtechniken Durch diesen Aufbau wurde die M glichkeit geschaffen Messungen mit verschiedenen Techniken unter konstant gehaltenen Betriebsbedingungen vergleichen zu k nnen Dies schafft neben der M glichkeit grundlegende Verbrennungsuntersuchungen vorzunehmen eine gute Grundlage zur W
169. g 3 x 400 V AC 100 A max 50 60 Hz Ausgangsspannung 3 x 350 V AC Ausgangsdauerstrom 71A K hlwasserversorgung der Bremse K hlwasserbedarf ca 6 m h Eintrittstemperatur max 25 C f r max Bremsenleistung K hlwasserdruck min 5 bar Wasserh rte lt 5 dH Schmier l und K hlmittelkonditionieranlage AVL 577 Maximale Regeltemperatur 120 C K hlkapazit t Schmier l 6 kW K hlkapazit t K hlmittel 40 kW Heizleistung Schmier l 4 2 kW 3 5 kW Heizleistung K hlmittel 83 Anhang A Optischer Motor Tabelle A 2 Technische Basisdaten des optischen Motors Technische Spezifikationen des optischen Motors Typenbezeichnung 5811 Zylinderanzahl Bohrungsdurchmesser 84 mm Hub 90 mm Hubvolumen 0 499 Verdichtungsverh ltnis 10 1 Maximal zul ssige Drehzahl 3000 min Maximal zul ssiger Mitteldruck 11 bar Ventile und Nockenwellen Ventilanzahl Einlassventilhub 0 bis 9 7 mm Stufenlos einstellbar Auslassventilhub 3 5 mm 5 0 mm mit alternativer Nockenwelle Einlassventildurchmesser 32 mm Auslassventildurchmesser 28mm Steuerzeiten Frei w hlbar Abstand zum Kolben beachten Schmier lsystem Schmierung ldruck Normal Min Max Abar 3bar 5 bar ltemperatur Normal Max 60 C 90 C Trockensumpf 10W40 K hlwassersystem K hlwasserdruck Max 2 bar K hlwassertemperatur Normal Max 60 C 90 C K hlwasser Vollentsalztes Wasser mit 25 Ethylen Glyc
170. g der gemittelten CH gt O Fluoreszenz in der Verdichtungsphase zwischen 260 und 25 KW Zur n heren Untersuchung der m glichen Quellen f r diesen unverbrannten bzw nur unvoll st ndig umgesetzten Kraftstoff wurden auch CH gt O LIF Messungen in der Expansionsphase durchgef hrt Abbildung 6 16 zeigt sowohl gemittelte Bilder obere Reihe als auch repr sentative Einzelaufnahmen untere Reihe w hrend der Expansion Deutlich sind zwei von einander getrennte Bereiche zu erkennen an denen starkes Fluoreszenzsignal auftritt Auf grund des vom verwendeten Filter transmittierten Wellenl ngenbereichs 435 17 5 nm han delt es sich wahrscheinlich um von Formaldehyd hervorgerufene Fluoreszenz Dieses ist vermutlich vor allem w hrend der Verbrennung in Bereichen des Brennraums entstanden die aufgrund ihrer geringen Breite nicht von der Verbrennung erfasst wurden Quenching in Spalten oder in die durch den Druckanstieg nach Beginn der Verbrennung noch nicht voll st ndig abreagiertes Gemisch aus den Randbereichen des Brennraums hineingepresst wur de Diese Bereiche lassen sich anhand der Bilder eindeutig als Bohrung f r das Beleuch tungsendoskop und als der Bereich zwischen Mittelelektrode und Mantel der Z ndkerze identifizieren Mit fortschreitender Expansion treten hier unverbrannte Kraftstoffteile aus und durchmischen sich wie auf den Bildern f r fortschreitende KW erkennbar mit den Verbren nungsgasen wodurch sie anschlie end sowohl in
171. g einer geringen in die Zwischenkompression ein gespritzten Kraftstoffmenge zur gezielten Erzeugung von Radikalen und W rme ber die Cool Flame Reaction s Abschnitt 2 2 3 besteht sind Methoden zur Messtechnischen Er fassung dieser Spezies von hohem Interesse f r die Untersuchung entsprechender Brenn verfahren Leider lassen sich nur wenige dieser Spezies durch Fluoreszenzmessungen er 132 6 2 Messungen in der Vorz ndung fassen wie z B Formaldehyd CH gt O Dieses kann als Indikator f r das Ablaufen der Radi kalbildung und zur Beurteilung des Erfolgs von Verfahrens nderungen verwendet werden 64 Daher wurden am optischen Motor zun chst Untersuchungen mit gro fl chiger Optik bei konventioneller Verbrennung vorgenommen um Erfahrungen in der Messung von CH2O mittels LIF und den zu erwartenden Signalintensit ten zu sammeln Anschlie end sollte die Eignung der endoskopischen Messtechnik f r diese Messungen untersucht sowie ihre Ver wendbarkeit f r den HCCI Betrieb erprobt werden um den Einsatz in einem Vollmotor vorzu bereiten Hierzu wurden die Endoskope zun chst unter den selben Betriebsbedingungen erprobt die bereits f r die Untersuchungen mittels gro fl chiger Optik zum Einsatz kamen Die hierbei gesammelten Erfahrungen flossen in nachfolgende Verbesserungen der endo skopischen Messtechnik ein die anschlie end wiederum an einem HCCI Betriebspunkt wei ter erprobt wurde In den folgenden Abschnitten solle
172. gasmessschranks s Abschnitt 5 6 3 f r den fremdgez ndeten Betriebspunkt durchgef hrt Hierbei wurden der Z ndZzeitpunkt und die Einspritzmenge konstant gehalten der Einspritzzeitpunkt jedoch im Bereich von 320 bis 240 KW variiert mit dem Ziel den Einfluss einer unvollst ndigen Verbrennung aufgrund schlechter Durchmischung m glichst gering zu halten und somit nur den Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe HC aus den Brennraumspalten zu messen Der Signalverlauf der Abgasmessung f r HC wurde bereits in Abschnitt 5 6 3 Abbildung 5 32 gezeigt Die hier sichtbaren geringen Signalschwankungen und das nach einer gewissen Anstiegszeit konstante Signalniveau f r Einspritzungen zwischen 320 und 280 KW deuten trotz noch kalten Brennraums auf eine bereits in den ersten Zyklen stabile Verbrennung hin Bildet man mit dem integrierten Signal den zyklusbezogenen Mittelwert f r HC und vergleicht diesen mit den Werten f r den 50 Umsatzpunkt sowie dem effektiven Mitteldruck wie in Abbildung 6 18 gezeigt wird diese Erkenntnis best tigt so dass von einer vollst ndigen Verbrennung auszugehen ist und die gemessenen Kohlenwasserstoffkonzent rationen den Mengen entsprechen die durch Quenching in den Brennraumspalten verur sacht werden Es ergeben sich somit Kohlenwasserstoffemissionen zwischen 2017 ppm und 2146 ppm die sich mit Hilfe der gemessenen Ansaugluftmengen der aus den Einspritzd sen Kalibrierung bestimmten Kraftstoffmenge von 22 3 mg ES
173. ge ringere Spitzendruck im oberen Totpunkt Insgesamt l sst sich jedoch eine gute berein stimmung der Resultate feststellen so dass die Endoskope auch f r die Messung von Ein dringtiefen eingesetzt werden k nnen 159 6 Messungen 20 15 10 Eindringtiefe mm m Glasring 2 1 bar p 1 52 kg m Glasring 7 2 bar p 3 93 kg m Glasring 17 5 bar p 7 86 kg m O Endoskopring 2 1 bar p 1 52 kg m Endoskopring 7 2 bar p 3 93 kg m 0 0 0 0 3 0 6 0 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 4 2 7 3 0 3 3 Kurbelwinkel nach Einspritzbeginn KW Abbildung 6 24 Eindringtiefen gemessen ber Glasring und Endoskop Weiterhin ist zu erkennen dass die Eindringtiefe mit zunehmendem Zylinderinnendruck bzw steigender Gasdichte stark abnimmt was auf die erh hte Dichte des in das Spray eingetra genen Gases zur ckzuf hren ist da dieses beim Eintrag in das Spray beschleunigt wird wohingegen das Spray selbst durch bertragung seines Impulses auf das Gas entschleunigt wird so dass bei zunehmender Dichte die kinetische Energie des Sprays schneller auf das Gas bertragen wird und die Eindringtiefe sinkt Dies f hrt wie in Abbildung 6 21 und Abbil dung 6 22 zu erkennen ist mit zunehmendem Druck zu einer Verbreiterung der Sprayspitze und insbesondere im Fall C zur schnelleren Verdampfung und Durchmischung von Kraftstoff und Luft Als weiteres Ergebnis ist festzuhalten dass bei einer festen Einspritzmenge ab h ngig vom Zylin
174. ge Rolle um einen m glichst breiten Anwendungsbereich zu erschlie en und gr tm glichen Nutzen aus dieser Technik zu ziehen Hier konnten bereits gro e Erfolge im Rahmen von parallel zu dieser Ar beit am IVG durchgef hrten Forschungsarbeiten z T unter Einbeziehung des optischen Mo tors erzielt werden 23 Gro fl chige optische Zug nge zum Einsatz konventioneller optischer Komponenten erfor dern immer verh ltnism ig gro e Eingriffe in den Aufbau des Versuchsmotors mit entspre chendem Einfluss auf den Betriebsbereich sowie die Betriebseigenschaften des Motors Bei der heute weit verbreiteten Zylinderkopfbauform mit einem dachf rmigen Brennraum ergibt sich die M glichkeit trapezf rmige Fenster an den Stirnseiten des Brennraumes anzubrin gen und so im Wesentlichen den mittleren Bereich des Brennraums optisch zug nglich zu machen 45 Weitere Zug nge lassen sich f r diese Brennr ume im Zylinderkopf wenn berhaupt nur verh ltnism ig klein oder f r Endoskope ausf hren da das Platzangebot durch K hlkan le die Ventiltriebkomponenten die Z ndkerze und ggf die Einspritzd se sehr beschr nkt ist 44 Um die Zug nglichkeit zu verbessern und auch orthogonal zueinan der angeordnete Fenster z B f r Einkopplung und Detektion f r LIF und PIV verwenden zu k nnen wird h ufig ein Abstandshalter zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf eingesetzt Dieser kann entweder aus einem Metallgeh use mit darin montierten Einzel
175. gem D mpfungsvolumen Druck und Temperaturmessaufneh mern sowie die automatische Regelung des Ansaugdrucks nachger stet Des Weiteren wur de eine Niederdruckindizierung sowohl f r das Ansaug als auch das Abgassystem aufge baut und der Pr fstand an einen Abgasmessschrank angebunden In Bezug auf die Kraft stoffversorgung wurde im Hochdrucksystem ein Schwingungsd mpfer eingebaut und der Pr fstand um eine Saugrohreinspritzung erweitert Die Eigenschaften sowie das Betriebs verhalten der nachger steten bzw verbesserten Systeme wurden im Anschluss untersucht und die Ergebnisse sowohl zur Planung der Versuche als auch zur Auswertung der gewon nenen Daten verwendet Neben diesen Ma nahmen wurden an vielen Systemen des ur spr nglichen Pr fstands zahlreiche teils umfangreiche nderungen und Erweiterungen vor genommen um die Betriebssicherheit und Handhabbarkeit zu verbessern Detaillierte Be schreibungen der nderungen sowie des Pr fstandsaufbaus finden sich in Kapitel 5 Mit Hilfe des optischen Motors wurden zahlreiche Versuche durchgef hrt wobei die Erfor dernisse und Ergebnisse dieser Versuche Anlass f r die meisten der oben genannten Pr fstandsverbesserungen waren so dass sich ein kontinuierlicher Wechsel zwischen Expe rimenten und Pr fstandsanpassung ergab Ein wichtiges Untersuchungsgebiet stellten zun chst Versuche zur Realisierung eines HCCI Betriebspunktes f r den optischen Motor dar da die Anwendung dieses Brennve
176. gesamte nachfolgende Arbeit verwendet Zu beachten ist hierbei die verwendete Konvention zur Zuordnung von O KW zum ZOT Der vorhergehende LOT befindet sich dementsprechend bei 360 KW und der nachfolgende LOT bei 360 KW Die unteren Totpunkte befinden sich bei 180 KW bzw 540 KW und 180 KW Im Gegensatz zum Liefergrad beschreibt der Luftaufwand a das Verh ltnis der dem Zylinder w hrend des Ladungswechsels zugef hrten Frischladungs oder Frischluftmasse m zur theoretisch m glichen Masse im Zylinder m ze 215 Mth Vh PG a Die Luftmasse m kann auch gr er als m sein wenn w hrend des Ladungswechsels so wohl die Einlass als auch die Auslassventile ge ffnet sind also eine sog Ventil berschnei dung vorliegt s auch Abbildung 2 4 Hierbei kann eine gewisse Luftmenge m Kurz schlussmasse ber die Einlassventile eintreten und den Zylinder direkt wieder ber die Aus 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren lassventile verlassen Dies kann als Ma nahme zur Verbesserung der Zylindersp lung ge nutzt werden sollte aber bei Motoren mit vorgemischter Ladung z B Ottomotor mit Saug rohreinspritzung vermieden werden da in diesem Fall Kraftstoff ungenutzt in das Abgas gelangen kann und somit den inneren Wirkungsgrad verschlechtert und zur Emission von Kohlenwasserstoffen beitr gt UT LOT UT ZOT UT I l l I I la AUSSCHIEBEN gt ra ANSAUGEN er VERDICHTEN gt a
177. gewonnen werden k nnen Sollen daher detailliertere Untersuchungen zur R umlichen Verteilung von z B Kraftstoff Temperatur und Spezieskonzentrationen sowie des Verbren nungstfortschritts gewonnen werden m ssen optische Untersuchungsmethoden angewendet werden da nur mit ihrer Hilfe diese Informationen gewonnen werden k nnen Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse k nnen anschlie end numerische Modelle validiert und Verfah rensverbesserungen vorgenommen werden Optische Methoden k nnen sowohl f r Grund lagenuntersuchungen zumeist mit gro fl chigen optischen Brennraumzug ngen als auch zur Untersuchung seriennaher Motoren verwendet werden wobei im letztgenannten Fall spezielle endoskopische Systeme zur Anwendung gelangen Hierbei wird in vielen F llen eine Anregung der zu untersuchenden Spezies durch ein Laserlichtblatt mit anschlie ender Detektion der resultierenden Fluoreszenz Laserinduzierte Fluoreszenz LIF vorgenommen da so die Untersuchungsm glichkeiten erheblich erweitert werden k nnen und einen genaue Festlegung der zu untersuchenden Ebene m glich ist Untersuchungen mit hoher Zeitaufl sung werden durch die Verwendung hochrepetitiver Laser und Hochgeschwindigkeitskame ras m glich Das Ziel dieser Arbeit besteht daher darin einen optisch zug nglichen Einzylindermotor auf zubauen erforderliche Peripherie auszulegen in Betrieb zu nehmen und durch verschiedene optische Untersuchungen zu charakterisieren Der Motor sol
178. gibt sich jedoch neben dem Einfluss der Messgenauigkeit der Ansaugluftmengenmessung das Problem der Beeinflussung der A Messung durch unverbrannten Kraftstoff im Abgas Dieser Zusammen hang ist in Abbildung 5 30 anhand von Messungen unverbrannter Kohlenwasserstoffe sowie des Sauerstoffgehalts im Abgas mit Hilfe des Abgasmessschranks dargestellt s Abschnitt 5 6 3 Hierbei wurde der Motor mit Direkteinpritzung Mehrlochd se bei einer Einspritzmen ge von 22 3 mg ES bestimmt aus Kalibrierwerten s Abschnitt 5 4 und Tabelle D 1 betrie ben und der Einspritzzeitpunkt von 320 bis 240 KW in 10 KW Schritten variiert Alle ande ren Einstellwerte wurden im Laufe der Versuche nicht ver ndert und sind in Tabelle F 1 zu sammengefasst Im Diagramm dargestellt sind der ber die A Sonde bestimmte Messwert f r die ber die in Abschnitt 5 4 beschriebenen Einspritzmessungen ermittelte Einspritzmen ge das aus dieser Einspritzmenge und der Ansaugluftmenge berechnete A sowie der mit Hilfe des Abgasmessschranks ermittelte Restsauerstoffgehalt Au erdem sind aus den Ab gasmesswerten bestimmten Werte f r den unverbrannten Kraftstoffanteil und die Einspritz menge f r die untersuchten Einspritzzeitpunkte dargestellt Ziel der Einspritzzeitpunktvariation war es durch Einspritzung der gleichen Kraftstoffmenge zu immer sp teren Zeitpunkten der Ansaugphase bei ansonsten gleichen Randbedingungen absichtlich eine Steigerung der Emission unverbrannter Kohl
179. gie der Photonen einem elektronischen bergang entsprechen d h die Bohr sche Frequenzbedingung hv E E AE muss erf llt sein Dies bedeutet dass die Differenz AE zwischen der Energie des angeregten Zustands E gt und der Energie des nicht angeregten Zustands Endzustand E nur molek lspezifische diskrete Werte anneh men kann wodurch sich das Auftreten von Emissionslinien erkl ren l sst Die Zeitspanne f r den bergang ist bei den relevanten Molek len kurz im Vergleich zu den makroskopischen 60 4 1 Flammeneigenleuchten Zeitskalen so dass das emittierte Licht als direkter Indikator f r die betreffende Reaktion an einem bestimmten Ort angesehen werden kann 29 co MMU O o T e o gt A Me a nn ee Mh TR A D T J 0 J NH OH a S E 0 H0 1 f T 300 400 500 600 as 800 900 1000 1100 E T Wellenl nge nm Abbildung 4 1 Emissionsspektrum einer typischen Kohlenwasserstoffflamme 56 Ein anderer Weg der Energieabgabe aus dem angeregten Zustand besteht im sog Kollisi onsquenching durch Abgabe der Energie des angeregten Molek ls an einen Sto partner M D M D M 4 3 Da hierbei die Energie strahlungslos abgegeben wird entsteht keine Chemilumineszenz Die wichtigsten bei der vorgemischten Kohlenwasserstoffverbrennung auftretenden Spezies sind C2 CH CO und OH 57 deren Emissionsspektrum in Abbildung 4 2 beispielhaft anhand einer Methan Luft Flamme da
180. gungsvolumen ausgegangen werden kann 5 5 7 Einlassberuhigungsvolumen und Einlaufstrecke Nach Durchstr men der Drosselklappe gelangt die Ansaugluft in ein weiteres vergleichswei se kleines Beruhigungsvolumen ca 2 dm um die Str mung vor Eintritt in den Motor zu beruhigen Neben der Beruhigung der Str mung erm glicht das Einlassberuhigungsvolumen zus tzlich an zwei Positionen die Einspritzung von Kraftstoff und Tracern oder das Einspei sen von mit Tr gergas Stickstoff Luft versetzten Tracersubstanzen Hierzu kann eine Nie derdruck Einspritzd se oder der Gasanschluss rechtwinklig zur Str mungsrichtung oder auf den Auslass des Beruhigungsvolumens ausgerichtet eingebaut werden s Abbildung 5 29 112 5 5 Ansaugsystem Neben den Niederdruckeinspritzd sen k nnen auch die in Abschnitt 5 4 1 beschriebenen Hochdruckinjektoren an den genannten Positionen eingebaut werden Diese besitzen ge gen ber den Niederdruckd sen den Vorteil der Erzeugung eines Sprays mit wesentlich klei neren Tr pfchen wodurch eine bessere Homogenisierung des Luft Kraftstoff bzw Luft Tracer Gemisches erzielt werden kann und auch die Gefahr der Ausbildung eines Wandfilms vermindert wird Au erdem sind die erforderlichen Einspritzdauern f r eine gegebene Kraft stoffmenge bei den Hochdruckinjektoren 8 bis 19 mal kleiner als bei den Saugrohreinspritz d sen s Abschnitt 5 4 2 Um beim Ausstr men der Luft aus dem Beh lter keine unn tige Turbu
181. h f r den im Rahmen dieser Arbeit verwendeten optisch zug ng lichen Motor vorgesehen und wie in Kapitel 5 4 und Kapitel 6 3 beschrieben genutzt worden Ebenso wie beim Ottomotor k nnen optische Messverfahren bei der Entwicklung und Ver besserung der Dieselmotorischen Verbrennung in vielerlei Hinsicht angewendet werden Aufgrund der hohen Bedeutung der Zylinderinnenstr mung sind insbesondere Methoden zur Messung des Str mungsfeldes von Interesse Auch die Untersuchung des Sprays ist aus den o g Gr nden von hohem Interesse da seiner Beschaffenheit eine hohe Bedeutung f r die Vermeidung von Schadstoffen zukommt Insbesondere die Entstehung und der Abbrand von Ru sind bei der Dieselverbrennung von hoher Bedeutung so dass auch Methoden zur Messung der Ru partikelgr enverteilung und der Partikelverteilung an sich von hohem In teresse sind Bei der Anwendung dieser Methoden treten jedoch im Vergleich zum Ottomotor h ufiger Probleme auf da durch das hohe Ma der Ru entstehung und das von diesem emittierte Lichtsignal viele der auf den Ottomotor anwendbaren Untersuchungsmethoden eingeschr nkt werden Des Weiteren erschweren die zum Teil sehr komplizierten Oberfl chengeometrien des Kolbens Kolbenmulde die optische Zug nglichkeit von Dieselmotor brennr umen Andererseits kann das vom Ru emittierte Signal auch f r Untersuchungsme thoden z B thermisches Ru leuchten s Abschnitt 4 verwendet werden die sich bei Otto motoren nic
182. h und zeitlich begrenzten Bereich erfolgen so dass diese Verfahren sehr empfindlich auf Schwankungen des Einspritzverhaltens der relativen Lage von Z ndkerze und Einspritzd se sowie eventuelle zyklische Schwankungen reagie ren Aus dem begrenzten r umlichen Bereich in dem eine Z ndung m glich ist ergibt sich zwangsl ufig auch ein enges Zeitfenster f r die Z ndung die noch w hrend oder kurz nach Ende der Einspritzung erfolgen sollte Dies bedeutet eine gewisse Einschr nkung der Ver fahren jedoch kann der Einspritzzeitpunkt und somit auch die Lage des Verbrennungs schwerpunktes im Vergleich zu den beiden zuvor genannten Verfahren freier gew hlt wer den da der Kolben nur geringen Einfluss auf die Erzeugung des z ndf higen Bereichs hat Hierdurch k nnen auch kleinste Kraftstoffmengen verbrannt werden und so eine h here Ab magerung als bei wand und luftgef hrter Ladungsschichtung realisiert werden Aufgrund 16 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren dieser Vorteile wird der strahlgef hrten Ladungsschichtung allgemein das h chste Entwick lungspotential zugeschrieben 9 10 Zur Untersuchung dieser Vorg nge k nnen optische Messtechniken s Abschnitt 2 4 3 so wohl in der Forschung als auch bei der konkreten Entwicklung eines Motors einen wichtigen Beitrag leisten da viele der im Brennraum ablaufenden Vorg nge nur durch optische Metho den erfasst werden k nnen So k nnen z B die Str mungs und Mischu
183. hem Druck und Temperaturniveau mit Hilfe von Wasserstoff erfolgen Hierbei Bil den sich verschiedenste langkettige Kohlenwasserstoffe die anschlie end in einer Raffinerie weiterverarbeitet werden k nnen Ein anderes Verfahren das auch f r Erdgas und Biomasse angewendet werden kann besteht in der Erzeugung von Synthesegas bei hohem Druck und hoher Temperatur zum Teil unter Zuhilfenahme von Wasserdampf Das entstehende Gas gemisch setzt sich im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid CO sowie Wasserstoff H2 zu sammen und wird anschlie end mit Hilfe eines Katalysators in synthetische Kohlenwasser 32 2 3 Generelle Entwicklungstrends zuk nftiger Motorenkonzepte stoffe umgewandelt Die auf diese Weise entstandenen Kohlenwasserstoffgemische k nnen anschlie end in einem konventionellen Raffinerieprozess zu fl ssigen Kraftstoffen sog oynfuels weiterverarbeitet werden Je nach Ausgangsstoff unterscheidet man das Produkt in CTL Coal to Liquid GTL Gas to Liquid und BTL Biomass to Liquid Insgesamt weisen die synthetisch hergestellten Kraftstoffe gleiche oder zum Teil auch bessere Eigenschaften auf als die auf herk mmliche Art gewonnenen Kraftstoffe So fehlen z B Aromaten was zu einer saubereren Verbrennung beitr gt Daher werden die synthetischen Kraftstoffe h ufig konventionellen Kraftstoffen zugemischt um ihre Eigenschaften zu verbessern Eine Zu nahme der eingesetzten Mengen ist in den n chsten Jahren zu erwarten 8 Ei
184. hiedliche Einspritzungen pro Zyklus zul sst Der Zeitverlauf des zum ffnen und Schlie en der D se erforderlichen elektrischen Stromes kann hierbei ber eine Steuersoft ware beliebig vorgegeben werden z B rampen oder sinusf rmige Verl ufe Zur Ansteue rung wird von der ETU ein TTL Signal Low Pegel D se geschlossen High Pegel D se ffnet verwendet dessen steigende Flanke den vorgegebenen ffnungs Stromverlauf star tet Der Schlie Stromverlauf wird von der fallenden Flanke gestartet Hierbei bestimmt die insgesamt ber Stromst rke und Zeit eingebrachte Ladung den Hubverlauf der Einspritzd sennadel so dass z B auch eine mehrstufige ffnung der Einspritzd se m glich ist Die Einspritzdauer kann ber den Abstand zwischen der steigenden und fallenden Flanke des Ansteuersignals gesteuert werden jedoch muss ber cksichtigt werden dass das Ansteuer signal immer l nger als die Dauer des ffnungs Stromverlaufs gew hlt werden sollte da von der Steuerung die Stromprofile f r das ffnen und Schlie en in jedem Fall in der paramet 101 5 Versuchsanlage rierten Zeit abgearbeitet werden Der Einfluss dieses Verhaltens l sst sich in Abbildung 5 21 erkennen da trotz sehr geringer Ansteuerdauer Flankenabstand des TTL Signals 16 us ein Einspritzvolumen von ca 8 2 ul ES nicht unterschritten werden kann Soll die Einspritz dauer weiter verringert werden so muss neben der Dauer des Ansteuersignals also auch das Ansteuerp
185. hkeit zur Vorw rmung der Ansaugluft auch eine Erh hung des Ansaugdrucks zu erm glichen w re die Nachr stung eines Verdichters mit h herem Auslassdruck mehrstufiger Seitenkanalverdichter Roots lader etc erforderlich sowie der druckfeste Umbau des Ansaugsystems insbesondere des Beruhigungsfasses Au erdem m ssten alle Verbindungen auf ihre Eignung f r einen h he 16 6 Messungen ren Betriebsdruck sowie ihre Dichtigkeit hin untersucht werden um weiterhin die Genauigkeit der Ansaugluftmengenmessung zu gew hrleisten Durch die Druckerh hung erg be sich neben einer generell h heren Flexibilit t bei der Wahl des Betriebspunktes die M glichkeit die bei der Selbstz ndung auftretenden Druckgradienten durch Erh hung des Luftverh ltnis ses zu verringern da durch die vergr erte Ansaugluftmenge w hrend der Verbrennung eine gr ere Gasmenge erw rmt werden muss wodurch der Druckanstieg begrenz werden kann 15 Des Weiteren k nnte durch Verwendung eines Durchflussmengenreglers der sowohl f r die Verwendung mit Luft als auch mit Stickstoff geeignet ist die Ansaugluftversorgung verein facht werden da so die Ansaugluftmenge direkt geregelt werden k nnte statt sie ber defi nierte Ansaugzust nde mit entsprechendem Regelaufwand und anschlie ende Messung des Volumenstroms auf einen konstanten Wert einzustellen Bei Verwendung einer Stickstoff und Druckluftversorgung k nnte so auch auf die Entfeuchtung der Ansaugluft v
186. hme eines idealen Liefergrades A 1 bezogen auf den jeweiligen Ansaug systemdruck erreichbaren berdr cke im Ansaugsystem dargestellt Bei im realen Betrieb immer mehr oder weniger ausgepr gt verringerten Liefergraden erh ht sich der m gliche Ansaugsystemdruck im Vergleich zu den gezeigten Werten 220 max Ansaugsystemdruck 200 190 mbar max Ansaugvolumenstrom bei 500 1 min 180 177 mbar max Ansaugvolumenstrom bei 1000 1 min 160 Ep 163 mbar max Ansaugvolumenstrom bei 1500 1 min l i l f max Ansaugvolumenstrom bei 2000 1 min 140 l i t l max Ansaugvolumenstrom bei 2500 1 min 2 E 120 l l i l l l max Ansaugvolumenstrom bei 3000 1 min Fame Eu ln na 5 AEEA 8 go LELEI I El EllEI gt u A O A 6 9954 ir HN 40 L rt T I J I f 20 I I I Ij I 0 tg 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Volumenstrom m h Abbildung E 1 Maximal realisierbare berdr cke im Ansaugsystem in Abh ngigkeit vom Ansaugvolumen Alle Volumenstromangaben beziehen sich auf eine Temperatur von 20 C und den jeweiligen berdruck Umgebungsdruck D mpfungseigenschaften von Luftkessel und Drosselklappe Um Druckschwingungen im Ansaugsystem und einen hieraus resultierenden Einfluss auf die Messung des Ansaugvolumenstroms zu vermeiden wird ein Luftkessel im Ansaugsystem verwendet s Abschnitt 5 5 4 dessen theoretisches D mpfungsverhalten in Abbildung E 2 in Abh ngigkeit von
187. hrere Rechner erfolgt im Wesentli chen aus Gr nden der Betriebssicherheit Daher sind auch alle Computer die Funktionen steuern bei deren Fehlfunktion Gefahren f r den Pr fstand oder die Bediener entstehen k nnen nicht mit dem Internet verbunden um eventuelle Vireninfektionen auszuschlie en oder hieraus resultierende evtl erforderliche kosten und zeitintensive Neuinstallationen der Rechner zu vermeiden Abbildung 5 13 zeigt einen vereinfachten Signallaufplan der wesent lichen Pr fstandskomponenten sowie der Steuerrechner Zur Steuerung des Kompaktpr fstands dient der sog PUMA Rechner Mit Hilfe der Soft ware PUMA Dauerlauf des Pr fstandsherstellers AVL steuert und berwacht dieser Com puter die grundlegenden Funktionen des Pr fstands Ohne diese Steuerung ist der Betrieb des Motors nicht m glich berwachte und geregelte Gr en sind hierbei Drehzahl und Drehmoment des Motors Temperatur und Druck von l und K hlwasser sowie der Unter druck im Kurbelgeh use Da eine fehlende lversorgung oder K hlung zu hohe oder zu niedrige Drehzahlen oder eine mangelhafte Absaugung des ls aus dem Kurbelgeh use zu schwerwiegenden Sch den am Motor f hren k nnen sind f r diese Messgr en im Steuer programm Grenzwerte hinterlegt bei deren Unter oder berschreitung eine Warnung erfolgt und das Anfahren des Motors nicht m glich ist bzw bei laufendem Betrieb eine Schnellab schaltung durchgef hrt wird Weitere Messgr
188. hrt werden sondern mussten auf Untersuchungen mit Hilfe der Endoskope beschr nkt bleiben Trotz dieser Probleme konnte durch zahlreiche Versuche schlie lich der HCCI Betrieb umgesetzt werden Hierbei zeigte sich dass der gefundenen Betriebspunkt u erst sensitiv auf Ver nderungen des Ansaugdruckes und der Temperatur reagiert so dass diese durch Nachr sten der oben genannten Ansaugdruck und Tempera turregelung stabilisiert wurden um auch einen l ngeren Betrieb im HCCI Modus zu erm gli chen In diesem Betriebszustand wurden sp ter endoskopische Detektion der Chemilumi neszenz und der Laserinduzierten Fluoreszenz LIF von Formaldehyd vorgenommen Da Vorreaktionen in der Zwischenkompression in vielen Verfahrensans tzen gezielt zur Er h hung der Flexibilit t der HCCI Verbrennung angewendet werden sollen wurden Versuche mit dem Ziel unternommen Formaldehyd unter verschiedenen Betriebsbedingungen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Zyklus sowohl mit Hilfe der gro fl chigen optischen Zu g nge als auch mit Hilfe der Endoskope durch LIF von CH O zu detektieren Hierbei wurde zun chst ein horizontaler Lichtschnitt erzeugt mit dessen Hilfe die Bildung und der Abbau von CH gt O w hrend der Kompression und der Verbrennung in einem rein fremdgez ndeten Betriebspunkt durch das Kolbenglas verfolgt werden konnte Hierbei zeigte sich dass erst relativ sp t in der Kompressionsphase ab etwa 10 KW vor ZOT ein messbarer Anstieg der Sig
189. ht anwenden lassen so dass insgesamt auch f r die Untersuchung von Diesel motoren optische Methoden eine immer gr ere Rolle in der Entwicklung spielen 2 2 3 Brennverfahren mit Selbstz ndung In den letzten Jahren wird in immer gr erem Umfang versucht die Vorteile der beiden 0 9 Brennverfahren in einem neuen Brennverfahren zu vereinigen Ziel ist hierbei insbesondere die Optimierung des Teillastbetriebs da dieser den dominierenden Betriebszustand heutiger Kraftfahrzeuge darstellt 13 Im Fokus stehen hierbei Untersuchungen zur homogenen Selbstz ndung magerer Gemische Verfahren die vom Otto Motor ausgehen und dement sprechend Otto Kraftstoffe verwenden werden h ufig als CAl Verfahren Controlled Auto Ignition bezeichnet wobei ein wesentlicher Unterschied zum klassischen Otto Verfahren in der Zur ckhaltung gr erer Abgasmengen im Brennraum zur Steigerung der Gemischtem peratur und somit zum Erm glichen der Selbstz ndung besteht Um eine m glichst gute Homogenisierung von Ottokraftstoff und Luft Abgas zu erreichen wird der Kraftstoff h ufig 20 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren bereits w hrend der Ansaugphase eingespritzt Dieselmotor basierte Verfahren hingegen werden h ufig als HCCI Verfahren Homogeneous Charge Compression Ignition bezeich net Auch hierbei wird h ufig Abgas zur ckgehalten um die Brennraumtemperatur zu erh hen und so die Verdampfung des im Vergleich zum Ottokraftstoff schwe
190. hte und ver h ltnism ig einfachen Handhabbarkeit viele Vorteile bieten Jedoch werden neben der klassischen Gewinnung aus Erd l zunehmend andere Quellen an Bedeutung gewinnen so dass f r diese Kraftstoffe der Oberbegriff alternative Kraftstoffe verwendet wird 8 Beweg gr nde f r alternative Herstellungsverfahren sind zum einen eine Erh hung der Versor gungssicherheit durch Verwendung anderer fossiler Prim renergietr ger Kohle Erdgas und 31 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren zum anderen eine Verringerung des CO Aussto es durch Nutzung regenerativer Energie quellen 19 Ein berblick der Herstellungsverfahren alternativer sowie konventioneller Kraftstoffe ist in Abbildung 2 11 gegeben Fossile Prim renergietr ger Raffination Synthesegas H CO Fischer Tropsch Synthese Synthetischer Kraftstoff Synthetischer Kraftstoff Veresterung Fischer Tropsch Synthese Elektrolyse Verg rung Synthesegas H CO Biomasse Wasser Solar Wind Regenerative Prim renergietr ger Abbildung 2 11 Herstellung alternativer Kraftstoffe aus fossilen und regenerativen Energie quellen adaptiert nach 19 Mit Ausnahme von Erdgas das direkt nach Reinigung zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden kann erfolgt die Verarbeitung fossiler Prim renergietr ger zu Kraftstoffen in mehreren Verfahrensschritten Die Verarbeitung von Kohle kann durch Hydrieren von Koh le auf ho
191. htige Rolle da durch seine Zunahme der Impulsaustausch zwischen Kraftstoff und Luft verbessert wird und somit eine bessere Durchmischung stattfindet Dieser wird im Wesentlichen von der D seninnengeo metrie und der im Spritzloch auftretenden Kavitation beeinflusst Zunenmende Kavitation durch erh hten Einspritzdruck verbessert die Ausbildung von Wirbeln im Einspritzstrahl ver gr ert so den Strahlwinkel und f hrt hierdurch zu einer feineren Zerst ubung 11 Im Anschluss an die Einspritzung und Zerst ubung des Kraftstoffs verdampft dieser Hierbei ist eine hohe Relativgeschwindigkeit erzielbar durch hohen Einspritzdruck zwischen Kraftstofftr pfchen und der umgebenden Luft sowie eine hohe Luftdichte durch ein hohes Kompressionsverh ltnis f rderlich da hierdurch der W rme und Stoff bergang zwischen Luft und Brennstoff verbessert wird Sobald in einem Teil des Gemisches ein Luftverh ltnis zwischen 0 3 und 1 5 vorliegt ist das Gemisch prinzipiell z ndf hig Die zum Erreichen die ses Zustandes notwendige Zeit wird physikalischer Z ndverzug genannt Anschlie end er folgt durch Kraftstoffzerfall bzw Radikalbildung nach der sog chemischen Z ndverzugszeit die Z ndung des Kraftstoffs Beide Z ndverz ge summieren sich zur Gesamt Z ndverzugszeit die bei modernen Motoren im Bereich zwischen 0 3 und 0 8 ms aufgela dene Motoren bzw 1 0 bis 1 5 ms Saugmotoren liegt 11 Da die Z ndverzugszeit in der Regel insbesondere bei h
192. htwinklig zur Anregungsrichtung Da sowohl auf der Innen als auch auf der Au enseite des Plexiglasrohres Reflexe auftreten die sich st rend auf die Messung auswirken sind alle Bereiche des Rohres die nicht zur Anregung bzw Detektion durchstrahlt werden mit einer 85 5 Versuchsanlage Blende abgedeckt In einer zuk nftigen Version des Ansaugrohres sollten diese Bereiche der Innenseite zus tzlich mattiert und das Saugrohr von au en geschw rzt werden Um auch Messungen mittels LIF zu erm glichen ist anstelle des Plexiglasrohres der Einsatz eines Quarzglasrohres dessen Enden mittels Silikon mit Metall Anschlussst cken versehen sind m glich 5 2 Indiziersystem und Datenerfassung Zum kontrollierten Betrieb des optischen Motors ist die Erfassung einer Vielzahl von Mess werten und die Regelung zahlreicher Komponenten erforderlich Des Weiteren m ssen zum Betrieb der optischen Messtechnik Triggersignale zu genau definierten Zeitpunkten im Druckverlauf an das Kamerasystem gesendet werden Zur Weiterverarbeitung und Einord nung der Ergebnisse m ssen zus tzlich Messwerte der Umgebungsbedingungen und der Zustandsgr en der Betriebsmedien erfasst und gesichert werden Die hierzu erforderlichen Systeme sollen in den folgenden Abschnitten n her beschrieben werden 5 2 1 Steuerung des Pr fstands Die Steuerung des Pr fstands sowie die Erfassung und Sicherung der Messdaten erfolgt ber vier verschiedene Computer Die Aufteilung auf me
193. hwungrad als auch die Nockenwellen Zahnriemenseitig mit Skalenscheiben versehen An der Kurbelwelle ent spricht der OT des Kolbens einem Skalenwert von O KW Die Skalen der Nockenwellen sind mit Magneten und Reibbel gen an den Zahnriemenscheiben der Nockenwellen befestigt und 185 Anhang B k nnen bei Bedarf mit Hilfe einer Schraube gegen ber der Nockenwelle verdreht werden Zweckm igerweise sollte der Nullpunkt dieser Skalen auf die Position des maximalen Ventilhubes eingestellt werden um diese Einstellung vorzunehmen sollte zun chst der Zahnriemen abgenommen werden um die Nockenwellen mit Hilfe eines Inbusschl ssels per Hand verdrehen zu k nnen Anschlie end wird ein Feintaster mit der dazugeh rigen Halterung so an der Hydraulikplatte befestigt dass er kurz vor Erreichen des maximalen Ventilhubes den Ventilteller ber hrt Durch langsames Verdrehen wird so die Maximal position des Ventilhubes bestimmt und die Nockenwelle mit Hilfe des Fixierbalkens in dieser Position fixiert Dieser Vorgang wird f r beide Nockenwellen durchgef hrt Sind beide Nockenwellen in der Maximalposition des Ventilhubes fixiert k nnen die Nockenwellen skalen genullt werden Dieser Vorgang muss in der Regel nur nach Zerlegen des Zylinder kopfes oder zur berpr fung der Skaleneinstellung durchgef hrt werden UT LOT UT ZOT UT M AUSSCHIEBEEN er ANSAUGEN er VERDICHTEN et VERBRENNEN e 40 l l l I i l r 8
194. i 110 9 95 09 DIOSSEIKIADPE za nennen nn a Ende nee TEE Tube 111 5 5 7 Einlassberuhigungsvolumen und Einlaufstrecke 2 u020022002s0senennenen 112 9 0 ADgassye leere a ee ee se ren ee 114 56 1 AUDal ans ee r e 114 9 02 A MESSUNG ae een 115 5 0 3 ADgAsmESSANIagE esenee een 118 8 MESSUNGEN nn ee ee 122 6 1 Versuche zum ACO Betre D 2 a 123 6 1 1 Versuche zum HCClI Betrieb des optischen Motors 4440444004 ee o 123 6 1 2 Variation der Betriebsparameter und Anpassungen des Pr fstands 124 6 1 3 Weitere Stabilisierung des HCCI Betriebs durch Modifikationen an Motor und Betriensbedinglungen a neu 132 6 2 MEess ngen in der VorzUNdUNgsitisselliesisiti a 132 6 2 1 Honzontaler LICENCAN arinnar 133 6 2 2 Endoskopische Messungen mit Fremdz ndung ss ssssssnsneresrrerrrsnrerresnee 139 6 2 3 Endoskopische Messungen im HCCl Betrieb ssnssssnennsnennseennsnenrseerereenene 143 Inhaltsverzeichnis 8 3 EINSPIILZUNIELSUCHUNGEN ste 153 5 3 1 ZIel geF MESSUNngen sasan sense 153 8 322 EXDEHTIEN 222 ee 154 6 3 EIGEDNISSEH AS en Eee be Ee ee Bauern 156 6 4 Weitere Messungen mit verschiedenen Techniken ss4444004enn nennen een 161 5 4 1 ENERMOPNOSPNOINESSUNGEN an ner 161 6 4 2 Toluol LIF Messungen der thermischen Inhomogenit t im Brennraum 162 6 4 3 Particle Image Velocimetry PIV u uuusunessnenenenenenenenenenennnenenennnene nennen 163 6 4 4
195. ibrie rung sowie vor der Durchf hrung von Messungen sollten die Messger te zun chst 2 3 Stunden warmlaufen um eine Messwertdrift durch die Aufw rmung der Bauteile zu vermei den Sollten nach dem Aufw rmen noch Unterschiede zwischen den Messwerten und den f r die Kalibriergase angegebenen Werten bestehen m ssen die Werte mit Hilfe der front seitigen Potentiometer an den entsprechenden Messger ten korrigiert werden Die Erfassung der Messwerte kann bedingt durch die kontinuierliche Probenentnahme und den langen bertragungsweg vom Motor zur Abgasmessanlage nicht zyklusaufgel st vor genommen werden Sofern der Motor kontinuierlich betrieben werden kann wie z B in eini gen HCCI Betriebspunkten kann die Zusammensetzung des Abgases nach einer gewissen Einschwingzeit entweder direkt abgelesen oder durch Mittelwertbildung ber eine gewisse Anzahl von Messwerten bestimmt werden Dieses einfache Vorgehen ist jedoch in den meis ten F llen beim optischen Motor nicht m glich da der Motor meistens nur im Skip Fire Betrieb gefahren werden kann In Abbildung 5 32 ist exemplarisch der Verlauf der Messwerte f r die Kohlenwasserstoffmes sung der zur Charakterisierung der Kohlenwasserstoffemissionen aus den Brennraumspal ten s Abschnitt 6 2 3 durchgef hrten und bereits in Abschnitt 5 6 2 zur Charakterisierung der A Bestimmung vorgestellten Versuche mit Direkteinspritzung Mehrlochinjektor Ein 119 5 Versuchsanlage spritzmenge
196. ieb prin zipiell m glich wurde Leider zeigte sich jedoch dass der Betriebspunkt nicht ohne st ndige geringf gige Anpassungen der Ansaugluftmenge gehalten werden konnte wobei die Anpas sung der Ansaugluftmenge mit Hilfe des Einlassventilhubs vorgenommen wurde da sich zeigte dass sich so die Luftmenge wesentlich feiner regeln lie als ber die Drosselklappe Ohne diese Anpassungen trat entweder Klopfen auf oder die Lage des Verbrennungs schwerpunkts verlagerte sich kontinuierlich zu sp teren Kurbelwinkeln bis es schlie lich zu 131 6 Messungen Z ndaussetzern und damit zum Erliegen des HCUI Betriebs kam Als Ursache hierf r konn ten geringe Schwankungen des Umgebungsdrucks in der Motorenkabine z B verursacht durch das ffnen und Schlie en von Labort ren vermutet werden Aufgrund dieses noch nicht vollst ndig beherrschbaren Betriebsverhaltens wurde zun chst auf den Einbau und Test der Glasbauteile unter HCCI Bedingungen verzichtet Stattdessen wurden optische Messungen im HCCI Betrieb mit Hilfe des Endoskoprings durchgef hrt s Abschnitt 6 2 3 da die kleinen optischen Zug nge der Endoskope verh ltnism ig unempfindlich gegen ho he Druckgradienten sind 6 1 3 Weitere Stabilisierung des HCCI Betriebs durch Modifikationen an Motor und Betriebsbedingungen Um die Schwankungen des Ansaugdrucks zu verhindern wurde die in Abschnitt 5 5 1 be reits beschriebene Ansaugluftregelung entwickelt die durch einen Verdichter
197. in Wasser in den F rderraum gelangen kann Die Pumpe saugt den Kraftstoff ber einen Metallsinterfilter in der Ansaugleitung aus einem der vier Kraftstofftanks an Die Kraftstofftanks haben ein Fassungsverm gen von 3 8 pro 95 5 Versuchsanlage Tank und sind mit einem Schauglas mit Schwimmer bestehend aus chemisch geschw rzter Kupferfolie ausger stet Durch Verwendung mehrerer Tanks kann bei einem Wechsel des Kraftstoffs die aufw ndige Reinigung des Tanks in den meisten F llen entfallen der verblei bende Kraftstoff gelagert und einer der Tanks w hrend der Reinigung f r den Sp lkraftstoff reines Iso Oktan verwendet werden Der Anschluss an das Pumpensystem erfolgt durch Rohrleitungsbr cken zur Verbindung des Pumpenvorlaufs mit den einzelnen Tanks bzw des Systemr cklaufs mit dem gew nschten Tank Auf die Verwendung von Ventilen zur Um schaltung wurde bewusst verzichtet um auch minimale Leckagen und damit einhergehende Verunreinigungen durch den Inhalt anderer Tanks definitiv ausschlie en zu k nnen KOLBENDOSIERPUMPE SCHMIERWASSERBEH LTER DRUCKBEGRENZUNGSVENTIL FILTER R CKLAUFLEITUNG J MANOMETER TANK A p wi TON l SCHALTER ai y DE T x A AN r I i i en e Systemdruck me Rucklauf W Zulauf Einspri zd sen t Einsprit ROHRBR CKEN SCHAUGLAS ENTLASTUNGSVENTIL VORLAUFLEITUNG ABLASSSCHRAUBE Abbildung 5 17 Hochdruck Kraftstoffanlage De
198. in einer oder in mehreren Einsprit zungen zu beliebigen Zeitpunkten w hrend der Ansaug und Kompressionsphase einge spritzt werden So ist es m glich gezielt die Homogenit t und damit indirekt die Selbstz nd eigenschaften des Gemisches zu beeinflussen und so die Regelung des Selbstz ndzeit punktes und auch der W rmefreisetzungsrate vorzunehmen Eine fr he Einspritzung in die Ansaugphase f hrt hierbei zu einer insgesamt sehr guten Durchmischung von Kraftstoff Luft und Abgas mit entsprechend niedrigen NO Emissionen Allerdings kann es durch eine der art gute Homogenisierung auch zur vermehrten Emission von unverbrannten Kohlenwasser stoffen kommen da in den Randbereichen des Brennraums sowie z B im Feuersteg Koh lenwasserstoffe w hrend der Kompression gespeichert und nicht von der Verbrennung er 23 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren fasst werden Quenching Daher wird in vielen neueren Ans tzen gezielt von einer nahezu vollst ndigen Homogenisierung abgewichen und eine mehr oder weniger stark ausgepr gte Ladungsschichtung s auch Abschnitt 2 2 1 angestrebt um die Emissionen zu senken und die Selbstz ndeigenschaften sowie die Umsatzrate w hrend der Verbrennung zu beeinflus sen Begrenzt wird die Ladungsschichtung allerdings durch die mit zunehmendem Kraftstoff anteil in einem Teil des Brennraums ebenfalls zunehmende Ru bildung gesteigerte Ver brennungstemperaturen NOx Bildung sowie zu hohe Umsatzraten
199. iner Wandst rke von 18 mm herge stellt und an der Ober sowie an der Unterseite mit Auflagen aus Stahl versehen Die Aufla gen sind mit Silikon OmniVISC am Ring befestigt und dienen zum einen dem Schutz des Glasrings sowie als Dichtfl chen Unterseite und zum anderen als Aufnahme f r die O Ringe Oberseite Durch den Glasring k nnen Lichtschnitte in den Brennraum eingekop pelt und Signal detektiert werden Nachteilig ist die relativ hohe Empfindlichkeit des Glas rings gegen ber hohen Druckanstiegsraten insbesondere Klopfen die leicht zum Bruch des Rings und unter Umst nden zu resultierenden Sch den am Motor durch in den Brenn raum geratende Glasbruchst cke f hren kann Daher sollte der Glasring erst eingesetzt wer den wenn das Betriebsverhalten des Motors mit den gew hlten Einstellungen Steuerzeiten Einspritzmenge Z ndzeitpunkt etc zuvor getestet wurde Hierzu dient der Stahldummy der aufgrund seiner Kontur d nne Brennraumwand ein hnli ches thermisches Verhalten wie der Glasring aufweist aber wesentlich unempfindlicher ge gen ber Verbrennungsinstabilit ten ist und daher immer dann eingesetzt werden sollte wenn das Verhalten des Motors bzw der Verbrennung aufgrund ge nderter Randbedingun gen nicht gut eingesch tzt werden kann Durch diese Vorversuche kann das Verhalten beim Betrieb mit Glasring abgesch tzt werden auch wenn in den meisten F llen trotzdem noch mehr oder weniger starke Anpassungen vorgenomm
200. inert abgeblasene Luftmenge 105 5 Versuchsanlage verringert sich und bei geringerem Luftbedarf oder verringertem Ansaugdruck vergr ert werden Abblasemenge vergr ert sich KLEMMBL CKE STELLMOTOR ZAHNKRANZ AUSTRITT AUSSTR MQUERSCHNITT EINTRITT DREHSCHIEBER Abbildung 5 24 Aufbau des Ansaugluftregelventils 9 9 2 N gt Anlage F r einige LIF Messungen ist es sinnvoll den Quenching Einfluss von Sauerstoff s Ab schnitt 4 3 durch Verwendung von reinem Stickstoff w hrend der Messung auszuschalten Zu diesem Zweck kann das Ansaugsystem des Motors aus dem hauseigenen Stickstoffsys tem gespeist werden Um auch in diesem Fall eine genaue Regelung des Ansaugdrucks vornehmen zu k nnen ohne dass gr ere Stickstoffmengen in die Messkabine abgeblasen werden m ssen wird ein elektrisch bet tigter Druckregler verwendet mit dessen Hilfe der Vordruck eines Drosselventils geregelt wird Dieses entspannt den Stickstoff auf den ge w nschten Ansaugdruck wobei die Durchflussmenge ber den Vordruck geregelt werden kann Zur groben Anpassung des Drosselventils an Betriebszust nde mit stark unterschiedli chem Stickstoffbedarf ist das Drosselventil einstellbar ausgef hrt Die maximale Durchfluss menge des Druckreglers wurde hierbei so ausgew hlt dass wie bei Regelung des Ansaug drucks mit Hilfe des Ansaugluftregelventils bzw des Seitenkanalverdichters ein Ansaugdruck von 1200 mbar bei 1500 min und einem Liefergrad von 1 er
201. inge behinderten Str mung unvollst ndig verbrannten Kraftstoff erst sehr verz gert wieder in den Brennraum entlassen d rfte Eine weitere wenn auch im Vergleich zum Feuersteg wesent lich kleinere Quelle stellt der Spalt zwischen Kolbenglas bzw Kolbenglasdummy und der Kolbenkrone dar Eine rechnerische Absch tzung mit Annahme einer durch die geringe Breite des Feuerstegs konstanten Feuerstegtemperatur von 80 C K hlwassertemperatur und einer zu Beginn der Kompression homogenen Kraftstoffverteilung ergibt f r den Kur belwinkelbereich der Verbrennung ca 4 KW bis 20 KW dass sich 18 22 der gesam ten Kraftstoffmasse im Feuersteg befinden k nnen Insgesamt zeigen diese Untersuchun 150 6 2 Messungen in der Vorz ndung gen dass relevante Mengen an nicht umgesetztem Kraftstoff aus der Hauptverbrennung in den n chsten Zyklus bertragen werden k nnen Wie bereits erw hnt zeigt sich auch in der Zwischenkompression wie in Abbildung 6 17 dar gestellt ein deutliches Fluoreszenzsignal das zwischen 170 und 400 KW an Intensit t zu nimmt und anschlie end bis 385 KW verh ltnism ig schnell fast vollst ndig verschwin det Diese Beobachtung steht sowohl in Einklang mit der Annahme dass aufgrund der mit Hilfe der 1D Simulation ermittelten hohen Temperaturen s Abbildung 6 2 evtl vorhandener Kraftstoff in diesem Kurbelwinkelbereich umsetzen sollte als auch mit der Beobachtung von Chemilumineszenzsignal im Bereich zw
202. insatz einer reinen Stickstoffatmosph re umgangen wer den sofern z B nur Mischungsvorg nge ohne anschlie ende Verbrennung untersucht wer den sollen 65 Die unter Einbeziehung der o g Faktoren mit Hilfe des Detektors idealerweise erfassbare Fluoreszenzleistung P r im Beobachtungsraumwinkel Q ist sowohl abh ngig von der Anzahl N der im Grundzustand vorliegenden Teilchen im Messvolumen V als auch von der einge strahlten Laserleistung L Unter Verwendung der bereits bekannten Beziehung hvur f r die Energie der mit Lichtgeschwindigkeit c emittierten Photonen ergibt sich folgender Zusam menhang hvs r Q A21 P V N B I 4 6 LIF C AT 1 712 25 20 L Hierin stehen B 2 und A21 f r die Einsteinkoeffizienten der Absorption bzw der spontanen Emission und Q2 f r die Quenchrate Das Verh ltnis von A2 zur Summe aus A21 und Q wird hierbei als Fluoreszenzquantenausbeute o bezeichnet A21 A21 Q21 P P A D T ix 4 7 Diese ist je nach Gemischzusammensetzung von der Temperatur T und dem Druck p der Mischung sowie von der zur Anregung verwendeten Wellenl nge A abh ngig Je nachdem welche der Gr en bekannt sind k nnen auch quantitative Messungen der fehlenden Gr e durchgef hrt werden Zwar sind Anregungswellenl nge und Druck in den meisten F llen bekannt nicht jedoch die bei motorischen Messungen oftmals rtlich variierenden Tempera turen und Konzentrationen Somit k nnen entweder nur qualitati
203. ion am ZOT auch eine Zwischenkompression am LOT erforderlich ist wurde diese von Anfang an in die Versuche zur Realisierung des HCCI Betriebs einbezogen Die Einstellung der Zwischenkompression erfolgte wie in Abschnitt 2 1 beschrieben ber eine Vergr e rung der Einlass und Auslassspreizung d h die Vergr erung der Abst nde zwischen LOT und den Ventilhubmaxima der Einlass und Auslassventile Durch diese Ma nahme kann das Abgas nicht vollst ndig ausgeschoben werden und der verbleibende Teil wird im Bereich des LOT zun chst verdichtet und anschlie end wieder expandiert Neben der Notwendigkeit zur Einstellung der Zwischenkompression als wichtigem Bestandteil des zu untersuchenden Ver fahrens bietet diese zudem den Vorteil dass durch die Zur ckhaltung eines Teils des hei en Abgases im Zylinder interne AGR und anschlie ende Vermischung dieses Gases mit fri scher Ansaugluft die Temperatur der Zylinderf llung und somit die Temperaturen w hrend der Hauptkompression erh ht werden k nnen wodurch die Selbstz ndung des Gemisches beeinflusst werden kann Sie ist daher auch erforderlich um die durch das relativ geringe Verdichtungsverh ltnis hervorgerufene und daher f r die Selbstz ndung nicht ausreichende Temperaturerh hung durch die Kompression s o zu kompensieren Ein f r die geplanten HCCI Untersuchungen geeigneter Betriebspunkt sollte durch einen Betrieb ohne zus tzliche unterst tzende Funkenz ndung m glich d h a
204. ion der Einspritzmenge lie sich weiterhin feststellen dass dieses Verhalten sich mit zunehmender Anfettung verschlechterte wie aus der Zusammen stellung von Druckverl ufen f r drei verschiedene Einspritzmengen in Abbildung 6 1 hervor geht Die in Abbildung 6 1 ebenfalls angegebenen Werte f r A wurden mit Hilfe der A Sonde ermittelt sobald sich eine stabile Verbrennung eingestellt hatte Aufgrund dieser Beobach tungen wurde geschlossen dass die Z ndwilligkeit der Mischung bei kaltem Motor und der gew hlten Einspritzmenge nicht hoch genug ist um im ersten gefeuerten Zyklus zur Z n dung der Mischung zu f hren Hierdurch wird ein Teil des unverbrannten Kraftstoffs durch die interne AGR in den n chsten Zyklus bertragen und die Mischung so unbeabsichtigt an gefettet Auch ist von einer teilweisen Vorreaktion des so bertragenen Kraftstoffanteils in der Zwischenkompression auszugehen s auch Abschnitt 6 2 3 die zusammen mit der An 125 6 Messungen fettung im zweiten gefeuerten Zyklus zwar zur Z ndung f hrt jedoch mit sehr hohen Dru ckanstiegsraten und Spitzendr cken Da durch diese Verbrennung nun hei es Abgas f r den n chsten Zyklus zur Verf gung steht steigt die Temperatur zum Z ndzeitpunkt so dass ab dem dritten Zyklus die Verbrennung normal ablaufen kann 55 50 1 i a5 HH Zylinderdruck bar N N w w D O u oO u O a vi rm oO 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwink
205. ion wurden z B mit den in Kapitel 6 3 behandelten Sprayuntersuchungen durchgef hrt 82 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand Z NDKERZE EINSPRITZD SE AUSLASSVENTIL EINLASSVENTIL E PA AH Pd gt N B D A PA es gt i BELEUCHTUNGSENDOSKOP BEOBACHTUNGSENDOSKOP Abbildung 5 10 Endoskopische Messungen mit Endoskopring und im Zylinderkopf montier tem Lichtschnittendoskop Zeichnung erstellt von A Windel Zur Durchf hrung von Absorptionsmessungen im Brennraum mit Hilfe der Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy TDLAS mit dem Ziel der Bestimmung des Restgasgenhalts durch Messung der Wasserkonzentration s Abschnitt 6 4 4 kann der IDLAS Ring ver wendet werden Dieser verf gt ber zwei gegen berliegende Fenster mit einem optisch nutzbaren Durchmesser von 14 mm Die Austritts sowie die Eintrittsfl chen dieser Fenster sind zur Vermeidung unerw nschter Interferenzeffekte Ausbildung eines optischen Resona tors leicht abgeschr gt 0 6 bzw 2 0 Die Fenster lassen sich leicht austauschen um de fekte Fenster zu ersetzen oder andere Fenstermaterialien bisher verwendete Fenster be stehen aus Quarz und Saphir sowie Fenstergeometrien zu erproben Die Befestigung und Ausrichtung der zur Ein bzw Auskopplung verwendeten Lichtleitfasern erfolgt ber winkel justierbare Halter vor den Fenstern Der Freiraum zwischen den Fenstern und dem Faser austritt kann zur Vermeidung einer durch Ab
206. isburg Essen 2006 P R Janas Simulation der Zylinderinnenstr mung und der Gemischbildung Projektarbeit Universit t Duisburg Essen 2010 E Laurien H Oertel Numerische Str mungsmechanik 3 Auflage Vieweg Teubner Wiesbaden 2009 C L Cummins Internal Fire 1 Auflage Carnot Press Lake Oswego Oregon 1976 R L Streeter L C Lichty Internal Combustion Engines 4 Auflage McGraw Hill Book Company Inc New York and London 1933 H R Ricardo Schnellaufende Verbrennungsmotoren zweite verbesserte Auflage Verlag von Julius Springer Berlin 1932 A Vressner Studies on the Load Range of an HCCI Engine using In Cylinder Pressure lon Current and Optical Diagnostics Dissertation Universit t Lund 2007 E Winklhofer Optical access and diagnostic techniques for internal combustion engine development Journal of Electronic Imaging 10 588 592 2001 F P Zimmermann New Approaches for Optical and Microoptical Diagnostics in IC Engines Dissertation Universit t Heidelberg 2006 B Witzel Konstruktion optischer Zug nge an einem 4 Zylinder Serienmotor zur Durchf hrung laseroptischer Messungen mittels mikroinvasiver Endoskoptechnik Studienarbeit Universit t Duisburg Essen 2007 179 45 46 AT 48 49 50 51 32 53 54 99 56 57 58 59 60 61 62 63 Literaturverzeichnis B Jeanne Etude par Diagnostics Optiques de l impact d une tres haute Pression d
207. ischen 395 und ca 370 KW s Abbildung 6 14 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 17 Entwicklung des gemittelten CH gt O LIF Signals in der Zwischenkompression zwischen 170 und 385 KW Basierend auf den in der Expansionsphase gemachten Beobachtungen kann angenommen werden dass auch noch in der Zwischenkompression Teile dieses unverbrannten Kraftstoffs in kalten Bereichen des Brennraums zwischengespeichert werden und nicht umsetzen wodurch sie zumindest zu einem Teil f r das Signal in der Ansaugphase verantwortlich sind s o hnliche Beobachtungen werden z B auch in 94 geschildert Da die Konzentration bzw der Anteil des aus dem vorherigen Zyklus stammenden CHO am Gesamtsignal nicht bekannt ist konnte anhand der vorliegenden Messungen nicht ermittelt werden ob und in welchem Umfang Formaldehyd bereits in der Kompressionsphase gebildet wird Es l sst sich jedoch festhalten dass Formaldehyd mit den verbesserten Endoskopen nachgewiesen werden kann Au erdem zeigte sich dass sich durch die vorhandenen Spalten ein signifi 151 6 Messungen kantes St rsignal ergibt dass bei der Beurteilung aller zuk nftigen Messungen ber cksichtigt werden muss Um ein besseres Verst ndnis dieser f r die die Messungen st renden Einfl sse sowie der Gr enordnung der Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu gewinnen wurden zus tzliche Messungen im Abgas des Motors mit Hilfe des Ab
208. ist auf den Anstieg von Druck und Temperatur zur ckzuf hren der durch die beginnende Verbrennung hervorgerufen wird und zur verst rkten Bildung von Formaldehyd in den noch nicht von der Verbrennung erfass ten Bereichen des Brennraums f hrt Mit fortschreitender Verbrennung nimmt die gemittelte Intensit t wieder ab was sowohl auf das Fortschreiten der Flammeniront als auch auf die mit beginnender Expansion abnehmende Dichte zur ckzuf hren ist Da jedoch wie aus Abbil 136 6 2 Messungen in der Vorz ndung dung 6 6 hervorgeht die Position der Flammenfront von Zyklus zu Zyklus an der gleichen Kurbelwinkelposition stark schwankt und sich somit in den Mittelwertbildern nicht klar zwi schen abnehmender Intensit t durch verringerte Dichte und abnehmender Intensit t durch die Mittelwertbildung unterscheiden l sst war eine Trennung beider Effekte nicht m glich Aus diesem Grund mussten zur Ermittlung des in Abbildung 6 8 gezeigten relativen Signals der CH O Intensit t w hrend der Verdichtung und der Verbrennung wiederum die Einzelbil der herangezogen werden Zur Ermittlung der Werte wurde f r jedes Einzelbild und jede Kurbelwinkelposition der Mittelwert aus den sechs in Abbildung 6 6 markierten rechteckigen Messbereichen 30x30 Pixel gebildet wobei solche Bereiche in die die Verbrennung bereits vorgedrungen war ausgeschlossen wurden 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 7 CH gt O LIF w hrend
209. it Endo skopen und gro fl chigen optischen Zug ngen zur Sprayausbreitung bei verschiedenen Zy linderdr cken und Temperaturen durchgef hrt um das Einspritzverhalten der A D se f r zuk nftige Untersuchungen zu charakterisieren und einen direkten Vergleich zwischen en doskopischen Messungen und Messungen mit gro fl chigen optischen Zug ngen zu erm g lichen Diese Messungen werden in Abschnitt 6 3 n her erl utert 122 6 1 Versuche zum HCCl Betrieb 6 1 Versuche zum HCCI Betrieb 6 1 1 Versuche zum HCCI Betrieb des optischen Motors Da f r die Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren eine selbstz ndende Betriebsweise HCCI Betrieb von hohem Interesse ist s Abschnitt 2 2 3 wurden Versuche durchgef hrt um Selbstz ndbetrieb im optischen Motor zu realisieren und optisch untersuchen zu k nnen Dies stellt eine besondere Herausforderung dar da sich durch das verh ltnism ig geringe Verdichtungsverh ltnis von 10 1 beim optischen Motor im Laufe der Kompression nur relativ geringe Verdichtungsendtemperaturen einstellen wodurch die Selbstz ndung der Mischungen erschwert wird Hier sind je nach Konfiguration und Betriebsweise des verwen deten Motors typischerweise Verdichtungsverh ltnisse von e 12 20 erforderlich 14 also Werte die zwischen den typischen Werten f r Otto und Dieselmotoren liegen s Ab schnitt 2 2 Da f r die geplanten Untersuchungen zur Vorz ndung s Kapitel 6 2 neben der Hauptkom press
210. it dem Schmier l aus dem Nockenwellengeh use s Abschnitt 5 1 2 abgesaugt Der Unterdruck im Kurbelgeh use betr gt ca 100 mbar und sorgt daf r dass kein l ber die Laufbuchse in den optischen Teil gelangen kann Die Absaugung erfolgt mit Hilfe eines Seitenkanalverdichters wobei die Luft l Mischung zun chst die Konditionieranlage durch str mt um das l weitestgehend abzutrennen Der verbleibende lnebel wird in zwei weite 12 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand ren Filtern Edelstahlwolle und Papierfilter vor dem Eintritt in den Seitenkanalverdichter aus gefiltert um eine Kontaminierung der Motorenkabine Ansaugluft Ger te mit lnebel zu ver hindern s auch Abbildung 5 1 Technische Daten des Grundmotors finden sich in Anhang A sowie in 69 Die Kennlinie des Seitenkanalverdichters ist in Anhang E dargestellt NOCKENWELLENGEH USE Se e in LAW B en ZYLINDERKOPF ANDR CKPLATTE NOCKENWELLEN SPIEGELGEH USE Pr A a 2 SCHWUNGRAD jj f As SPANN UND F HRUNGSROLLEN J K 1 7 Br KURBELWELLENGEH USE ZAHNRIEMENTRIEBE F R mee ii Nn NOCKEN UND AUSGLEICHSWELLEN PLEUEL MONTAGEDECKEL KURBELWELLE VA OIM Oci MASSENAUSGLEICHSWELLEN gt i AUSGLEICHSGEH USE Abbildung 5 3 Hauptkomponenten des optischen Motors AVL 5811 9 2 Zylinderkopf und Nockenwellengeh use Der Zylinderkopf ist aus zwei Hauptbaugruppen aufgebaut dem eigentlichen Zylinderkopf und dem Nockenwellengeh use Abbild
211. iteren ergibt sich die M g lichkeit die beim Ottomotor auftretenden Drosselverluste im Teillastbetrieb zu reduzieren da wie beim Dieselmotor die Leistungsabgabe ber die Menge des eingebrachten Kraftstoffs regelbar ist Im Gegensatz zum Dieselmotor wird jedoch nicht immer die gleiche Luftmenge angesaugt sondern vielmehr ein mehr oder weniger gro er Anteil des Abgases im Brenn raum durch eine Ventilunterschneidung im Ladungswechsel OT LOT zur ckgehalten oder w hrend der Ansaugphase durch ein zus tzliches ffnen der Auslassventile aus dem Aus lasssystem wieder angesaugt Diese Ma nahme ist erforderlich um auch bei den f r Otto motoren typischen relativ geringen Verdichtungsverh ltnissen e 10 bis 14 eine f r die Selbstz ndung des Kraftstoffes ausreichende Kompressionsendtemperatur zu erreichen 4 Die gr te Herausforderung bei der praktischen Umsetzung des HCCI Verfahrens besteht in der Steuerung der Verbrennung da diese nicht gezielt wie beim konventionellen Otto Prozess durch einen Z ndfunken oder wie beim Diesel Prozess durch das Einspritzen von Brennstoff gestartet werden kann sondern gesteuert durch die chemische Kinetik spontan abl uft Die Z ndung erfolgt dabei in den zwei in Abbildung 2 8 dargestellten Stufen die je nach Zustand des Gemisches zeitlich mehr oder weniger klar voneinander getrennt sind In 21 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren der ersten Stufe der sog kalten Flamme wer
212. itzsystem zu vermeiden wurde wie im Hoch druckeinspritzsystem ein Druckspeicher bzw D mpfungsvolumen verwendet Da jedoch 196 Anhang D trotz dieser Ma nahme in seltenen F llen durch Resonanzeffekte st rkere Druckschwingun gen auftreten k nnen wurde zus tzlich ein Metallsinterfilter in das System eingebaut s Ab schnitte 5 3 2 und 5 4 2 Wie in Abbildung D 5 gezeigt f hrt sein Einsatz blauer Verlauf zu einer wesentlichen D mpfung der Druckschwingungen im Einspritzsystem im Vergleich zum nur ber den Druckspeicher ged mpften System roter Verlauf 8 Einspritzdruck ohne D mpfer Eispritzdruck mit D mpfer Einspritzdruck bar Ansteuersignal V A 1 Ansteuersignal 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Zeit ms Abbildung D 5 Einfluss des D mpfers auf die Druckschwingungen im Niederdruckeinspritz system Interpolation von Kraftstoffspray Eindringtiefen Auf Basis der Kraftstoffspray Eindringtiefenmessungen unter Verwendung des Gilasrings s Abschnitt 6 3 k nnen f r zuk nftige Anwendungen Eindringtiefen auch f r Gasdichten ab gesch tzt werden die wie in Abbildung D 6 dargestellt zwischen den vermessenen Rand bedingungen liegen Die Absch tzung der Eindringtiefe kann sodann unter Vorgabe der Gasdichte p und der Zeit t nach Einspritzbeginn mit Hilfe der in Tabelle D 4 angegebenen Polynome erfolgen 197 Anhang D 20 a z Jer 77 15 1 und aai T F gt E BO ati
213. ive Abgaskomponenten Kondensat aus dem Abgassystem hat ca einen PH Wert von 3 4 am Motor entstehen Bei l ngerem Motorstillstand ist daher sicherzustellen dass die Aus lassventile geschlossen sind um den Zutritt von Abgas zum Brennraum zu verhindern Au Berdem sollte der Zylinderring heruntergelassen werden um den Brennraum zu durchl ften Die Messstellen zur Erfassung des Abgaszustandes befinden sich alle in der N he der Aus lassventile Die Abgastemperatur wird zum einen durch ein sehr d nnes Thermoelement 8 1 5 mm nah an den Auslassventilen erfasst zum anderen durch ein weiteres Thermoe lement 3 0 mm weiter stromabw rts Das erste Thermoelement ist innerhalb des Abgas rohres umgebogen um m glichst nah an den Auslassventilen und ohne gro e zeitliche Ver z gerung noch innerhalb des Zylinderkopfes die Abgastemperatur erfassen zu k nnen Die so gewonnenen Messdaten dienen im Wesentlichen zum Abgleich mit Simulationsrechnun gen Das zweite Thermoelement dient zur berwachung des Motors im Betrieb um unzul s sig hohe Abgas bzw Bauteiltemperaturen zu verhindern Die Abgastemperatur wird hierbei als Indikator f r die Brennraumwand und Kolbentemperatur genutzt wobei sich ein Grenz wert von ca 300 350 C als zweckm ig erwiesen hat Wird diese Temperatur berschritten so sollte die Verbrennung gestoppt werden um das berhitzen der Kunststoffkomponenten Kolbenringe Dichtringe f r den Zylinderring etc zu verhinde
214. j Abbildung 6 2 Beispielhafter Druckverlauf des reinen HCCI Betriebs ohne Z ndfunkenunter st tzung und Simulationsergebnisse f r Druckverlauf und Brennraumtemperatur sowie Ver gleich wichtiger Parameter des Experiments und der 1D Simulation Mit Hilfe der gewonnenen Messdaten wurde am Institut f r Kolbenmaschinen IFKM der Universit t Karlsruhe anschlie end eine 1D Simulation des Betriebspunkts durchgef hrt um 130 6 1 Versuche zum HCCl Betrieb weitere nicht direkt messbare Parameter wie z B AGR Rate und Brennraumtemperatur zu ermitteln Die Simulationsergebnisse dieser Parameter sowie wichtiger anderer Betriebspa rameter sind in Abbildung 6 2 zusammengefasst und den zugrundeliegenden Messwerten gegen bergestellt Der mit Hilfe der Simulation ermittelte Temperaturverlauf ist ebenfalls in Abbildung 6 2 dargestellt Tabelle 6 2 Betriebsparameter des reinen HCCI Betriebs Parameter Wert K hlwassertemperatur C B Einlassspreizung Kwi Auslassspreizung KW Einlassventilhub mm Drosselklappenstellung Er Ansaugtemperatur C B Einspritzmenge mg ES Luftverh ltnis A 1 14 Fremdz ndzeitpunkt KW Selbstz ndung Abgastemperatur C 260 Durch die hohe interne AGR Rate ca 60 dieses Betriebszustandes konnte die Abgas temperatur mit ca 260 C so niedrig gehalten werden maximal zul ssig sind 350 C dass im Gegensatz zu Betriebspunkten mit geringen AGR Raten ein kontinuierlicher Betr
215. kamen nicht die h chsten Werte der vorhergehenden Versuchsreihe zum Einsatz da mit diesen zwar die weiteste Sp tverlagerung des Z ndzeitpunktes der Fremd z ndung erreicht werden konnte jedoch im Anschluss an Z ndaussetzer auch sehr hohe Druckanstiegsraten gt 4 bar KW bei Z ndung im n chsten Zyklus auftraten Um Druck und Temperatur in der Hauptkompression zu steigern wurde der Motor durch ffnen der Dros selklappe entdrosselt und die Drosselklappenposition zwischen 20 und 30 variiert Au er dem wurde die K hlwassertemperatur von urspr nglich 60 C in der ersten Versuchsreihe auf 80 C erh ht um Wandw rmeverluste zu verringern Zur Verbesserung der Durchmischung von Brennstoff Ansaugluft und Abgas wurde der Einlassventilhub zwischen 1 0 und 3 5 mm variiert mit dem Ziel in Verbindung mit der Entdrosselung durch die Drosselklappe h here Einstr mgeschwindigkeiten und hierdurch eine st rkere turbulente Durchmischung zu erzie len F r das Luftverh ltnis wurde in allen Versuchen ein Wert von 1 15 angestrebt In allen F llen wurde der Betrieb mit Z ndfunkenunterst tzung zwischen 50 und 40 KW be gonnen um den Motor zun chst auf Temperatur zu bringen und hei es Abgas f r die interne AGR bereitzustellen F r die verschiedenen Kombinationen von Drosselklappenstellung und Einlassventilhub wurde nach Start des Motors mit Fremdz ndung versucht den Fremd Z ndzeitpunkt ZZP nach und nach zu sp teren Kurbelwinkeln zu
216. kommt ein piezoresistiver Absolutdrucksensor Typ 4005BA5F der Firma Kistler zum Einsatz Sein Messbereich betr gt 0 5 bar bei einem Einsatztemperaturbereich von 25 bis 125 C Der Sensor ist in einem der beiden Saugrohre s Abschnitt 5 5 montiert und mit einem Verst rker vom Typ 4618A2 Kistler verbunden Dieser verst rkt das Signal der Sensor Messbr cke auf ein Ausgangssignal von 0 10 V und nimmt gleichzeitig die erforderliche Temperaturkompensation durch Auswertung der tempe raturbedingten Widerstands nderungen der Messbr cke vor Das Temperatursignal wird ebenfalls ausgegeben und betr gt 10 mV C 91 5 Versuchsanlage Die Indizierung des Zylinderdrucks erfolgt mit Hilfe eines piezoelektrischen Relativdruckauf nehmers vom Typ GH12D der Firma AVL mit einem Messbereich von 0 250 bar Dieser ist direkt im Zylinderkopf montiert s Abbildung 5 5 und wird mit Hilfe eines Piezodruckverst r kers AVL microIFEM ausgelesen Das Ausgangssignal 0 10 V wird direkt an den Indi Com Rechner bermittelt Auf der Auslassseite erfolgt die Druckmessung wie auf der Einlassseite mit einem piezore sistiven Absolutdrucksensor Kistler Typ 4007BA5F Messbereich 0 5 bar Einsatztempera tur 25 180 C der ebenfalls mit einem Verst rker vom Typ 4618A2 Kistler verbunden ist Im Unterschied zur Montage im Saugrohr ist der Auslassdrucksensor in einem Umschalt k hladapter Kistler Typ 7533A montiert da aufgrund der im Auslass herrschenden Temp
217. kopischen Messungen wurden die Eindringtiefen anhand der Bilder ermittelt Hierzu wurde zun chst eine Hintergrundkorrektur der Bilder mit Hilfe einer gemittelten Mes sung ohne Einspritzung durchgef hrt um st rende Reflektionen des Lichtschnitts an den Bauteilen weitestgehend zu entfernen Die durch den Einsatz der Endoskope verursachte Verzerrung der Bilder wurden mit Hilfe eines bei Motorstillstand aufgenommenen Rasters korrigiert Verfahren s 23 In beiden F llen wurde das gleiche Raster zus tzlich zur Be stimmung des Ma stabs der Aufnahmen eingesetzt Zur Ermittlung der Eindringtiefe wurden die Bilder Serien gemittelt und f r beide Aufnahmemethoden anschlie end ein Schwellwert definiert der sich an der Signalintensit t des Sprays in der sp testen Phase der Sprayaus breitung vor der vollst ndigen Verdampfung des Sprays orientierte Anhand der so erzeug ten gemittelten bin ren Spraybilder wurde anschlie end mit Hilfe der in Abbildung 6 23 dar gestellten geometrischen Beziehungen die Eindringtiefe in Abh ngigkeit der Zeit nach Ein spritzbeginn ermittelt Der Einspritzbeginn wurde hierbei als derjenige Zeitpunkt bzw Kur 158 6 3 Einspritzuntersuchungen belwinkel definiert ab dem der Austritt von Kraftstoff an der Einspritzd se zu verzeichnen war Soweit m glich wurden bis zum bertreten der Grenzen des Lichtschnitts auf der rech ten Seite beide Seiten des Sprays f r die Messung verwendet und die Resultate gemittelt
218. l in der Zwischenkompression das in seiner Intensit t sogar das Signal in der Hauptkompression bertrifft und bis zum Erreichen des Zwischenkompressions OT verschwindet Diese mut ma lichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe wirken sich bei systematischen Untersuchun gen st rend aus da ihr Anteil an der Signalintensit t nur schwer zu ermitteln ist und somit die Bestimmung des Anteils von w hrend der Kompression neugebildetem Formaldehyd erschwert Untersuchungen zum Einfluss der gebildeten Formaldehydmenge in Abh ngigkeit vom Einspritzzeitpunkt konnten nicht durchgef hrt werden da sich gr ere Ver nderungen des Voreinspritzzeitpunktes stark negativ auf die Stabilit t der HCCI Verbrennung auswirk ten Nichtsdestotrotz zeigten die Messungen dass sich Formaldehyd mit den verbesserten Endoskopen mit LIF nachweisen l sst Au erdem konnten Quellen unverbrannten Kraftstoffs lokalisiert werden so dass der Einfluss dieses St rfaktors bei zuk nftigen Messungen be 175 7 Zusammenfassung r cksichtigt werden kann Um einen Eindruck von der Gr enordnung des zu erwartenden Anteils unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu erhalten wurden erg nzend Abgasmessungen durchgef hrt Diese zeigten dass auch bei stabiler Verbrennung ein Anteil von ca 6 der eingespritzten Kraftstoffmenge nicht abbrennt Dieser hohe Anteil ist u a auf den im Ver gleich zu konventionellen Motoren gro en Feuersteg des optischen Motors zur ckzuf hren und muss auf j
219. l in erster Linie zur Grundlagen untersuchung motorischer Verbrennungsvorg nge sowie neuer Brennverfahren verwendet werden so dass zum einen die Forderung nach m glichst gro en optischen Brennraumzu g ngen gestellt wird und zum anderen ein m glichst flexibler Betrieb m glich sein soll um alle Verfahrensmerkmale aktuell in der Entwicklung befindlicher wie auch zuk nftiger Brenn verfahren abdecken zu k nnen Der Motor verf gt daher sowohl ber einen in den Kolben integrierten optischen Zugang als auch ber einen Zugang ber einen Glasring der Untersu chungen direkt unterhalb des Zylinderkopfes zul sst Dieser Glasring kann durch eine hyd raulische Anpresseinrichtung leicht ein und ausgebaut werden und erm glicht au erdem die Einleitung Verwendung weiterer spezieller Ringe durch die z B Untersuchungen mit Hilfe von Endo skopen und deren Erprobung erm glicht werden Die Einspritzung von Kraftstoff kann so wohl ber eine Direkteinspritzung als auch ber eine Saugrohreinspritzung erfolgen die auf grund der besonderen aus der hohen Empfindlichkeit der optischen Messmethoden resultie renden Reinheitsanforderungen durch spezielle hochreine Hoch und Niederdruckkraftstoff anlagen versorgt werden Die Steuerzeiten des Motors k nnen durch die frei einstellbaren Nockenwellen je nach Anforderung des Brennverfahrens eingestellt und au erdem der Hub der Einlassventile im Betrieb variiert werden Zur Gew hrleistung konstanter Betri
220. lenz mehr zu erzeugen ist die Auslass ffnung mit einer abgerundeten Einlaufgeomet rie versehen EINSPRITZD SEN Y BERGANGSST CK SAUGROHRE EINSPRITZKR MMER ZW EINLASSBERUHIGUNGSVOLUMEN Abbildung 5 29 Einlasssystem und Einspritzstellen Zeichnung erstellt von P Thelen Zum Betrieb des optischen Motors mit einer m glichst seriennahen Saugrohreinspritzung wurde ein S f rmig gekr mmtes Saugrohrst ck konstruiert 87 in dem eine Saugrohrein spritzd se zur Platzierung fl ssigen Kraftstoffs m glichst nah an den Einlassventilen einge baut werden kann s auch Abbildung 5 22 Aufgrund der gegebenen geometrischen Ver h ltnisse gelingt zwar keine Benetzung der Einlassventilteller jedoch kann der fl ssige Kraftstoff relativ nah an den Einlassventilen platziert werden Aufgrund der identischen An schlussflanschgeometrie des S Kr mmers auf Einlass und Auslassseite kann das Ansaug system auch ohne dieses Bauteil betrieben werden wenn eine Saugrohreinspritzung in der beschriebenen Form nicht erforderlich ist Im weiteren Verlauf des Einlasssystems erfolgt eine symmetrische Aufteilung des Ansaug luftstroms auf die beiden Einlasskan le des Zylinderkopfs Hierzu wird ein Y f rmiges ber 113 5 Versuchsanlage gangsst ck verwendet an dessen Ausl ssen die beiden Saugrohre befestigt werden Die Saugrohre sind im Gegensatz zu den brigen Bauteilen des Ansaugsystems nicht fest ver schraubt sondern werden nu
221. lgt in den f r die verschiedenen Kompo nenten vorgesehenen Steuerger ten anhand herstellerspezifischer Regelalgorithmen Sollte es im Betrieb zu einem Ausfall des Rechners kommen werden die letzten bermittelten Wer te vom Steuerger t beibehalten bis wieder eine Verbindung zum INCA Rechner besteht Sollte bei zuk nftigen Ver nderungen des Motors der Einsatz weiterer Serienbauteile erfor 8 5 Versuchsanlage derlich sein z B Nockenwellenversteller oder AGR Ventil so kann deren Parametrierung ebenfalls mittels INCA erfolgen Das Auslesen vorinstallierter Sensoren f r Drehzahl und Nockenwellenposition ist bereits im aktuellen Zustand m glich Neben der o g Aufgabe dient der INCA Rechner au erdem zum F hren der Messprotokolle und zur Anzeige diverser Be triebshandb cher etc Die f r die Direkteinspritzung verwendete Piezo Einspritzd se erfordert zum Betrieb eine spezielle Endstufe Direct Injection Control Unit DICU s Abschnitt 5 4 1 deren Paramet rierung durch eine auf dem DICU Rechner installierte Software erfolgen muss Neben die ser Aufgabe dient der Rechner au erdem zur Regelung des Ansaugdrucks mit Hilfe des An saugdruckregelventils f r Luft s Abschnitt 5 5 1 bzw des Stickstoffdruckreglers s Ab schnitt 5 5 2 Die vom Ansaugdruckregler gelieferten Signale werden mit Hilfe einer Mess karte Meilhaus Labjack U6 aufgenommen in einer Labview Steuerung weiterverarbeitet und die erforderlichen Rege
222. lich ist 75 Bei den vorgenommenen Messungen wurde die Absorption von Wassermolek len zur Be stimmung des Restgasanteils verwendet Zur Durchf hrung der Messungen am optischen Motor wurden zwei verschiedene Aufbauten zur Durchstrahlung des Brennraumes verwen det Im ersten Ansatz wurde ein den Glasring umschlie ender Ring verwendet an dem die Befestigungs und Justagevorrichtungen f r die zur Ein und Auskopplung verwendeten Glasfasern angebracht sind Da sich bei Vorversuchen am Quarzring zeigte dass es bei ung nstigen Ein und Auskopplungswinkeln aufgrund von Reflektionen zur unbeabsichtigten Ausbildung eines optischen Resonators und somit zur St rung der Messungen kommt mussten verschiedene Ein und Auskopplungswinkel untersucht werden Hierdurch konnte das Signal wesentlich verbessert und anschlie end erste Messungen vorgenommen werden Erste Versuche mit diesem Aufbau wurden im geschleppten Zustand bei 2000 min w hrend der Kompressionsphase durchgef hrt wobei mit einer Aufl sung von 3 KW gemessen wer den konnte Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Abbildung 6 28 anhand der ermittelten Wasserkonzentration von 1 09 Vol dargestellt Es zeigt sich dass bis zu einem Brenn raumdruck von etwa 2 5 bar eine geringe Standardabweichung von 0 02 Vol vorliegt bei h heren Dr cken und Temperaturen steigt diese jedoch immer mehr an und erreicht einen Wert von 0 06 Vol wobei die mittlere Konzentration jedoch noch immer bei 1 07 Vol
223. linderdrucks auch die Erfassung aller Signale die sich kurbelwinkelabh ngig ver ndern und somit f r eine umfassende Untersuchung des Verbren nungsprozesses von N ten sind Hierzu geh ren insbesondere die Druckverl ufe im An saug und Abgassystem aber auch z B der Druckverlauf im Einspritzsystem oder Ansteuer signale f r Einspritzd sen Z ndsignale etc je nachdem mit welchem Ziel die Untersuchun gen durchgef hrt werden 3 Beispielhaft f r diese Gr en sind in Abbildung 2 13 die in die ser Arbeit am verwendeten Versuchsmotor gemessenen Verl ufe des Zylinderdrucks und der Dr cke im Luftkessel sowie im Ansaugrohr dargestellt 36 2 4 Experimentelle Ans tze UT LOT UT ZOT UT I l l i I le AUSSCHIEBEN ete ANSAUGEN ee VERDICHTEN em VERBRENNEN l l l I I 30 4 1140 i i i Zylinderdruckverlauf 25 4 Druckverlaufim Ansaugrohr 1100 i 5 s i 2 Druckverlaufim Luftkessel E un I i l x Ss 201 i ik iR l 1060 5 i AN T NJ F o oi y vA 3 s i i j D 15 I i I 1020 A i f i i i i ba i i i i i Key i i i x 10 4 l 1980 3 i i I 5 i i i i 69 i i i i i 7 5 I l I 940 amp i i i i i i i i i i i i i o 1 i i i 900 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel KW Abbildung 2 13 Beispiele f r Indiziermessdaten D mpfungseigenschaften des Luf
224. llein durch errei chen der zur Einleitung der Z ndung erforderlichen Druck und Temperaturbedingungen in der Mischung charakterisiert sein Zur erfolgreichen Umsetzung eines solchen HCCI Betriebs waren zahlreiche Zwischenschritte und z T auch Erweiterungen der Pr fs tandstechnik erforderlich Diese Schritte basierten immer auf den in den vorherigen Versu 123 6 Messungen chen gewonnenen Erkenntnissen so dass im Folgenden die wichtigsten Zwischenstufen sowie die aus den jeweiligen Versuchsreihen gewonnenen Erkenntnisse bis zur abschlie Benden Realisierung eines HCCI Betriebspunktes dargestellt werden sollen Die wichtigsten Betriebsparameter und deren Variationen im Verlauf dieser Versuche sind in Tabelle 6 1 zu sammengefasst Tabelle 6 1 Vorgehen und Parameter zur Realisierung des HCCI Betriebs im optischen Motor Versuchsreihe 1 Bel Drehzahl durch rer 1200 Keine nderung neue Messtechnik m glich K hlwassertemperatur Verringerung der OR C Wandw rmeverluste Sense ng l l Bestes Betriebsver Erh hung der ZK Fre halten bei 130 KW bzw der internen ES AGR Bestes Betriebsver Erh hung der ZK e Eo halten bei 150 KW 150 bzw der internen AS AGR i i Verbesserung der Bestes Betriebsver ee 3 5 Durchmischung 3 halten bei 1 6 mm beim Einstr men Hub Verbesserung der e a 3 bis 30 Durchmischung 20 bis 30 0 j beim Einstr men 9 g Ansaugtemperatur 24 C Keine nderung 24 C Erh hung der
225. llung der Steuerzeiten finden sich im Anhang B 5 1 3 Kolben und Laufbuchse Der in Abbildung 5 7 abgebildete Kolben des optischen Motors ist aus einem St ck Titan gefertigt und im Vergleich zu einem Serien Kolben stark verl ngert Der untere Teil des Kol bens ist klassisch aufgebaut und dient zur F hrung des Kolbens im unteren Bereich sowie zur Anbindung des Pleuels Er verf gt ber zwei Kolbenringe Kompressionsring und lab streifring und l uft in einer Laufbuchse die direkt auf das Kurbelgeh use aufgesetzt ist l das nicht vom Abstreifring entfernt werden kann wird durch den Unterdruck im Kurbelge h use zur ckgehalten s Abschnitt 5 1 1 so dass eine Verschmutzung des optischen Kol benteils verhindert wird KOLBENKRONE KOLBENGLAS SAPHIR QUARZ ERLEICHTERUNGS BOHRUNGEN SPANNMUTTER KOLBENGLAS p TOPRING y F HRUNGSRING NUT F R HYDRAULIKRING KOLBEN F HRUNGSRING KOLBENRINGE KOLBEN SPANNMUTTER KOLBENKRONE ABSTANDSSCHEIBE PLEUEL O RINGE HYDRAULIKRING Abbildung 5 7 Aufbau des verl ngerten Kolbens mit Optikaufbau 78 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand Auf den unteren Kolbenteil folgt ein langer seitlich geschlitzter Bereich in den der Spiegel halter eingeschoben und so die Vorg nge im Brennraum w hrend des Motorbetriebs durch das Kolbenglas beobachtet werden k nnen Der obere Teil des Kolbens wird von der in Ab bildung 5 7 dargestellten Kolbenkr
226. lsignale mittels derselben Messkarte an die Steuerger te ausge geben Die umfangreichsten Aufgaben kommen dem vierten Rechner zu der mit Hilfe der Software IndiCom AVL zur Erfassung aller f r die sp tere Auswertung der Messungen erforderlichen Messgr en dient Au erdem erfolgt durch diesen Rechner die Ausgabe von Steuersignalen zu bestimmten Zeitpunkten des Zyklus Die IndiCom Software erfasst mit Hilfe von zwei Messkarten sowohl sich verh ltnism ig langsam als auch schnell ndernde Messsignale s Abschnitt 5 2 2 und verarbeitet diese in Echtzeit weiter Als Zeitbasis dient hierbei f r die schnellen Signale das vom Kurbelwinkelgeber gelieferte Kurbelwinkelsignal mit einer Aufl sung von 0 1 KW Die langsamen Signale werden zeitbasiert interne Uhr erfasst Zu den schnellen Signalen geh ren z B der Zylinderdruck Ansaug und Abgasdruck sowie das Z ndsignal und der Ansteuersignalverlauf der Einspritzd se Weiterhin schnell erfasst wer den der Luftkesseldruck sowie der vom Abgasmessschrank gelieferte Wert f r die Konzent ration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe C H F r Messgr en wie die Luftfeuchtig keit den Luftdruck die Umgebungstemperatur die Ansaugtemperatur etc ist eine schnelle Erfassung nicht erforderlich da davon ausgegangen werden kann dass sich diese Gr en im Verlauf eines einzelnen Zyklus nur unwesentlich ver ndern Eine weitere Aufgabe des IndiCom Rechners besteht in der Kurbelwinkelgenauen Ausga
227. m glichen Frischladungs bzw Frischluftmenge Mp beschreibt 2 14 Mth Vh PG Hierbei kann die Dichte des Gases pg auf den Umgebungszustand bezogen werden oder falls z B ein Turbolader verwendet wird auf den Gaszustand vor den Einlassventilen so dass je nach Bezugszustand auch Liefergrade gr er als eins m glich sind Liefergrade klei ner als eins liegen dann vor wenn der Motor angedrosselt wird oder Abgas ber den La dungswechsel hinaus im Zylinder verbleibt Dies kann unbeabsichtigt durch schlechten La dungswechsel hervorgerufen werden oder gezielt durch Schlie en der Auslassventile vor bzw ffnen der Einlassventile nach dem Ladungswechsel OT LOT erfolgen Ventilunter schneidung wodurch eine sog Zwischenkompression im Ladungswechsel hervorgerufen wird Um diesen Effekt herbeizuf hren muss die sogenannte Ventilspreizung f r Einlass und Auslassventil erh ht werden Dies ist in Abbildung 2 4 anhand der Ventilerhebungskur ven und Druckverl ufe eines 4 Takt Zyklus mit und ohne Zwischenkompression dargestellt Hierbei bezeichnen die Einlass und Auslassventilspreizung den Abstand des Ventilerhe bungsmaximums vom LOT Absolutwerte in Kurbelwinkel KW Da diese Art der Darstel lung f r die Druckverl ufe und andere Gr en in Abh ngigkeit von der Kurbelwellenposition f r die meisten Vorg nge bersichtlicher als das in Abbildung 2 3 dargestellte Indikatordia gramm ist wird sie f r die
228. men werden Ist eine sehr exakte Synchronisation der Messergebnisse erforderlich so empfiehlt sich die Aufzeichnung eines z B mit Hilfe der ETU erzeugten gemeinsamen Referenzsignals sowohl auf der lang samen als auch auf der schnellen Messkarte Die f r die schnelle Datenerfassung erforderlichen Kurbelwinkelsignale werden hierbei von einem Kurbelwinkelgeber vom Typ 365C AVL geliefert der direkt an der Kurbelwelle ange flanscht ist Der Kurbelwinkelgeber wird optisch abgetastet wobei die Signale von einer Sig 89 5 Versuchsanlage nalverarbeitungselektronik ber einen Lichtleiter vom eigentlichen Kurbelwinkelgeber gesen det bzw empfangen werden Hierdurch werden zum einen elektrische St reinfl sse z B von der Z ndung in unmittelbarer Motorn he vermieden und eine ersch tterungsfreie sowie k hle Montage der empfindlichen Messelektronik erm glicht Der Geber liefert ein Winkel signal mit einer maximalen Aufl sung von 0 1 KW sowie ein einzelnes Referenzsignal pro Umdrehung Feinere Unterteilungen bis zu 0 05 KW werden durch einen nachgeschalteten elektronischen Impulsvervielfacher generiert Der Geber wurde so montiert dass das Refe renzsignal genau mit dem oberen Totpunkt zusammenf llt und so z B zur Ermittlung des thermodynamischen Verlustwinkels welcher die Winkeldifferenz zwischen dem tats chli chem OT und dem durch Wandw rmeverluste relativ zu diesem nach fr h verschobenem Zylinderdruckmaximum beschreibt verwe
229. mensional zu untersuchen und zu op timieren Hierbei werden die einzelnen Bereiche des Motorsystems durch leicht zu beschrei bende Teilsysteme ersetzt deren Interaktion verh ltnism ig leicht schnell und somit kos teng nstig simuliert werden kann 3 Ein solches System ist schematisch in Abbildung 2 15 dargestellt Das Ansaug und Abgassystem wird hierbei durch eine Kombination von graden Rohren Verzweigungen Blenden und Beh ltern nachgebildet in denen die Str mung eindimensional mit allen gasdynamischen Effekten berechnet wird Hierzu werden Massen und Energiebi lanzen f r die einzelnen Bauteile aufgestellt und die sich hieraus ergebenden Differentialglei chungssysteme gel st Zum Abgleich des Modells mit dem realen Motor sind Messwerte f r Druck und Temperatur am Systemeintritt Ansaugstutzen sowie die indizierten Druckverl u fe im Ansaug und Abgassystem n tig Str mungsbeiwerte die f r die Berechnung der Druckverluste z B an Abzweigen n tig sind werden f r einfache Geometrien berechnet oder m ssen f r kompliziertere Bauteile wie z B den Zylinderkopf abh ngig vom Ventilhub an einer Flussbank 4 23 gemessen werden Die Ergebnisse dieser Messungen werden in Form von Kennlinien in einem Kennifeld abgelegt und stehen so f r die Berechnung zur Ver f gung In hnlicher Weise werden die Kenndaten von Turboladern und mechanischen La dern in Form von Kennfeldern hinterlegt 4 47 2 Brennverfahrensentwicklung
230. miluminescence Imaging NO PLIF and Fast NO Exhaust Gas Analysis SAE Technical Paper 2005 01 2089 2005 P Barth M Gosch tz S Kaiser Optical Engines A Review Paper in Vorbereitung Universit t Duisburg Essen 2013 D Frieden V Sick Investigation of the Fuel Injection Mixing and Combustion Processes in an SIDI Engine using Quasi 3D LIF Imaging SAE Technical Paper 2003 01 0068 2003 R Zhang N Wermuth V Sick Impact of Fluorescence Tracers on Combustion Performance in Optical Engine Experiments SAE Technical Paper 2004 01 2975 2004 H Kubach K Mayer U Spicher Untersuchungen zur Realisierung einer ru armen Verbrennung bei Benzin Direkteinspritzung Forschungsbericht Universit t Karlsruhe 2001 L C Haber An investigation into the origin measurement and application of chemiluminescent light emissions from premixed flames Masterarbeit Virginia Polytechnic Institute and State University 2000 M Kr ner Einfluss lokaler L schvorg nge auf den Flammenr ckschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen Dissertation Technische Universit t M nchen 2003 R Stocker Bestimmung verbrennungsrelevanter Gr en in Flammen mit laseroptischen Verfahren Dissertation Technische Universit t M nchen 2004 D Greszik Entwicklung eines laseroptischen Messverfahrens zur Quantifizierung der Schichtdicke von Wasserfilmen Dissertation Universit t Duisburg Essen 2011 M Hage Experimentelle Untersuchung
231. mmer f r ein z ndf higes Gemisch an der Z ndkerze gesorgt werden muss Daher wird meistens trotz dem ein Teil der Regelung durch die Drosselklappe vorgenommen Vorteilhaft ist weiterhin die Verbesserung des Ansprechverhaltens da nderungen der Kraftstoffmenge sofort wirk sam werden sowie die M glichkeit die Gemischbildung und Verbrennung im Zylinder direkt z B durch Mehrfacheinspritzung zu beeinflussen Ein weiterer Vorteil ist eine Erh hung des Liefergrades da durch die Einspritzung von Kraftstoff in den Ansaughub die Dichte der Luft durch Verdunstungsk hlung erh ht wird und somit eine Steigerung der Ansaugluftmenge m glich ist 5 Aufgrund der Vielzahl von Vorteilen gegen ber einer Saugrohreinspritzung oder gar eines klassischen Vergasers wird ein wachsender Anteil der Ottomotoren mit Di rekteinspritzung ausger stet Auch der optische Motor bietet zur Untersuchung von Brenn verfahren mit Direkteinspritzung die M glichkeit zwei verschiedene Direkteinspritzd sen zu 28 2 3 Generelle Entwicklungstrends zuk nftiger Motorenkonzepte verwenden s Abschnitt 5 4 und alle im Rahmen dieser Arbeit durchgef hrten Untersu chungen wurden mit Direkteinspritzung durchgef hrt 2 3 2 Mechanische Verbesserungen Obwohl der grundlegende Aufbau des Verbrennungsmotors nun schon seit mehr als 100 Jahren nahezu unver ndert verwendet wird ergeben sich im Detail noch immer Verbesse rungsm glichkeiten Hierbei spielen insbesondere mechani
232. mpera turanstieg abbrennt worauf auch das Verschwinden des Signals vor dem Ladungswechsel OT hindeutet Dies steht auch im Einklang mit den Ergebnissen der 1D Simulation dieses Betriebspunkts s Abschnitt 6 1 2 da die berechneten Temperaturen im Bereich der Zwi schenkompression oberhalb der Temperaturen in der Hauptkompression zum Selbstz nd zeitpunkt liegen so dass von der Z ndung noch vorhandener Kraftstoffreste in diesem Be reich ausgegangen werden muss Als Quellen f r den unverbrannten Kraftstoff kommen so wohl der Feuersteg als auch weitere verh ltnism ig kalte Bereiche des Brennraums wie z B die Z ndkerze und die Bohrung f r das Beleuchtungsendoskop in Betracht Weitere 147 6 Messungen Indizien zur Best tigung dieser Theorie liefern auch die im Folgenden beschriebenen CH gt O LIF Messungen 10 385 mm 385 KW we 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 14 Gemittelte Aufnahmen des OH Chemilumineszenzsignals in der Zwischen kompression im Bereich von 395 bis 370 KW Zur Untersuchung der CH gt O Entstehung und dessen Verhalten im Verlauf des Zyklus wur den im HCCl Betrieb mit Hilfe der Endoskope Messungen w hrend der Ansaugphase der Verdichtung und der Expansion vorgenommen Messungen w hrend der Verbrennung selbst waren aufgrund der zu hohen Signalintensit t der Chemilumineszenz trotz CH gt O Bandpasstilter 435 17 5 nm nicht m glich F r die in A
233. mtfahrzeug und auf die aktuellen Entwicklungstrends der Motorenentwicklung wird nachfolgend dargestellt Abschlie end wird ein berblick ber die Anwendung numerischer Modelle sowie experimenteller Ans tze zur L sung sich im Laufe der Brennverfahrensentwicklung ergebender Fragestellungen gege ben 2 1 Grundlagen des Otto und Dieselmotors ANSAUGEN VERDICHTEN ARBEITEN AUSSCHIEBEN Einlassventile werden ge ffnet Alle Ventile sind geschlossen Alle Ventile sind geschlossen Die Auslassventile werden Der Kolben bewegt sich vom Der Kolben bewegt sich vom Der Kolben bewegt sich vom ge ffnet oberen Totpunkt zum unteren unteren Totpunkt zum oberen oberen Totpunkt zum unteren Der Kolben bewegt sich vom Totpunkt Totpunkt Totpunkt unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt OTTOMOTOR Ansaugen von frischem Luft Verdichten des Luft Kraftstoff Z nden des Gemisches durch die DasAbgas wird ausgeschoben Kraftstoff Gemisch Gemischs Druck und Temperatur Z ndkerze Die Mischung steigen an verbrennt das Gas expandiert und treibt den Kolben nach unten DIESELMOTOR Ansaugenvon reiner Luft Verdichten der Luft Druck und Kraftstoff wird ber die Das Abgas wird ausgeschoben Temperatur steigen an Einspritzd se eingespritzt und z ndet in derhei en verdichteten Luft Das Gas expandiert und treibt den Kolben nach unten Abbildung 2 1 Einzelschritte des Viertaktverfahrens 2 1 Grundlagen des Otto und Dieselmotors Ottomotoren wie auch
234. n Totraumvolumen Hubvolumen Energiedifferenz angeregter Molek lzust nde Unterer Heizwert Nomenklatur Verdichtungsverh ltnis Fluoreszenzquantenausbeute Effektiver Wirkungsgrad G tegrad Innerer Wirkungsgrad Mechanischer Wirkungsgrad Thermodynamischer Wirkungsgrad allgemein Thermodynamischer Wirkungsgrad des Gleichraumprozess Thermodynamischer Wirkungsgrad des Seiliger Prozess Thermodynamischer Wirkungsgrad des Gleichdruckprozess Isentropenkoeffizient Luftverh ltnis Motoren Wellenl nge des Lichts optische Messungen Luftaufwand Liefergrad Frequenz des Lichts Gasdichte Beobachtungsraumwinkel xi 1 Einleitung Seit der Erfindung der Verbrennungsmotoren und ihrem ersten Einsatz am Ende des 19 Jahrhunderts hat deren Bedeutung f r die industrielle Energiebereitstellung den Waren transport sowie den Individualverkehr enorme Bedeutung erlangt und einen erheblichen Ein fluss auf die heutige Gesellschaft ausge bt Insbesondere im G tertransport und Individual verkehr werden durch die Nutzung von Verbrennungsmotoren gro e Kraftstoff bzw Ener giemengen umgesetzt So betrug der Kraftstoffverbrauch in Deutschland im Jahr 2011 ins gesamt ca 67 Milliarden Liter 1 was einem pro Kopf Verbrauch von ca 823 Litern ent spricht 2 Die hierdurch entstehenden Emissionen von Kohlendioxid CO Stickoxiden NO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC tragen einen signifikanten Anteil zur Schadstoffbelastung der Luf
235. n die eine genaue Kenntnis des Luftverh ltnisses und evtl auch der Verbrennungsg te erfor dern sollte jedoch auf jeden Fall auch noch eine Messung der Abgaszusammensetzung mit Hilfe des Abgasmessschranks erfolgen Trotzdem kann die A Sonde aufgrund der geschil derten Eigenschaften zur Voreinstellung von Betriebspunkten verwendet werden und stellt daher ein wichtiges Werkzeug zur praktischen Einstellung des Motors dar 1 40 24 1 33 22 Lambda gemessen Lambda berechnet Unverbrannter Kraftstoffanteil Restsauerstoff gemessen Einspritzmenge kalibriert 18 Einspritzmenge berechnet 1 32 16 1 36 r 20 1 34 1 30 H 14 Lambda 1 23 r 12 1 26 10 Unverbrannter Kraftstoffanteil Einspritzmenge mg ES Sauerstoff 1 24 L 8 1 22 Her a 1 20 6 320 310 300 290 280 270 260 250 240 Einspritzzeitpunkt KW Abbildung 5 30 Beeinflussung der Messung bzw der Einspritzmengenbestimmung durch unverbrannten Kraftstoff Wie sich im Laufe der Zeit zeigte unterliegt die Sonde einem hohen Verschlei was auf die recht ung nstige Betriebsweise zur ckzuf hren ist Hierzu geh ren der Betrieb bei im Allgemeinen nur geringen Abgastemperaturen sehr kurze Betriebszeiten mit erh hter Ab gastemperatur durch h ufig unterbrochene Feuerung sowie der zum Teil sehr hohe Gehalt unverbrannter Kohlenwasserstoffe durch ungez ndeten Betrieb mit Tracern versetzte An saugluft oder u
236. n wie OH CH oder C Die Fluoreszenz dieser Spezies kann hnlich wie bei der Er fassung der Chemilumineszenz ihrer angeregten Zust nde s Abschnitt 4 1 genutzt werden um die Flammenfront zu lokalisieren und so den Brennfortschritt sowie die Flammenstruktur zu untersuchen Im Gegensatz zur Chemilumineszenz besteht bei Laser Anregung dieser Tracer Molek le jedoch der Vorteil dass nur eine bestimmte Schnittebene im Brennraum gezielt untersucht werden kann der St reinfluss der nicht im Interessensgebiet liegenden Flammenbereiche also minimiert werden kann F r die in Abschnitt 6 2 beschriebenen Ver suche zur Messung in der Vorz ndung also im Bereich der kalten Flamme ist insbesonde re die Fluoreszenz von Formaldehyd von Interesse da es in eben diesem Bereich gebildet andererseits aber auch beim bergang in die Hochtemperaturreaktion sehr schnell wieder abgebaut wird Zudem l sst es sich relativ gut nachweisen so dass Formaldehyd als guter Indikator f r das Auftreten der Niedertemperaturreaktionen angesehen werden kann 64 69 5 Versuchsanlage Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Arbeit bestand im Aufbau und der Versorgung des f r die Versuche verwendeten Motors Der Motor AVL Forschungsmotor 5811 wurde aufge baut auf einem Kompaktpr fstand ebenfalls Firma AVL geliefert und an die Elektroversor gung sowie die grundlegende Pr fstandssteuerung angeschlossen Basierend auf diesem Grundaufbau mussten im Laufe der Zeit
237. n Analysatoren deren Messprinzipien und Messbereiche detailliert in der Betriebsanleitung 90 der Wartungsanleitung 89 sowie in 91 beschrieben sind Die Messger te verf gen zur Messwertausgabe sowohl ber front seitige Digitalanzeigen als auch ber Analogausg nge 0 20 mA Die Analogausg nge werden ber ein gemeinsames Daten bertragungskabel zum IndiCom Rechner gef hrt dort ber Messwiderst nden 250 Q in Spannungssignale 0 5 V umgewandelt und mit Hilfe des Indiziersystems erfasst Um genaue Messergebnisse zu erzielen sollte die Abgasmessanlage in regelm igen Ab st nden im Idealfall t glich vor Durchf hrung der Messungen kalibriert werden Hierzu muss das Kalibriergas anstelle der Abgasentnahmeleitung angeschlossen werden Dies kann entweder direkt geschehen oder f r h ufige Kalibrierung zweckm igerweise durch ein Umschaltventil am Messgasanschluss des Abgasmessschranks Der Betriebs berdruck der Kalibriergase wie auch des Abgases darf hierbei max 0 5 bar betragen und ist ber einen Flaschendruckminderer entsprechend einzustellen Zur Kalibrierung des CO CO Messger ts kann z B das Gasgemisch LambdAL A Air Liquide 3 5 vo CO 14 vo CO 0 2 v Propan Rest N2 verwendet werden Die Kalibrierung des Sauerstoffmessger ts er folgt mit synthetischer Luft und f r den Flammenionisationsdetektor FID kommt eine Mi schung von synthetischer Luft und Propan Anteil 3870 ppm zum Einsatz Vor der Kal
238. n Endstufe finden sich im zugeh rigen Betriebs handbuch 81 KRAFTSTOFFANSCHLUSS KRAFTSTOFFANSCHLUSS TG STEUERANSCHLUSS MEHRLOCH INJEKTOR Sy 83 ADAPTERRINGE Q Abbildung 5 20 Mehrlochinjektor und A D se mit Montagebauteilen Insbesondere die Vormagnetisierungsphase und die Boosterphase wirken sich direkt auf die eingespritzte Kraftstoffmenge aus da w hrend der Vormagnetisierungsphase noch kein Kraftstoff und w hrend der Boosterphase nur eine reduzierte Kraftstoffmenge eingespritzt wird Die Einspritzung startet daher nicht direkt mit der fallenden Flanke des Einspritzsignals sondern im Falle der verwendeten Mehrlochd se erst nach ca 0 2 ms Daher sind auch k r zere Einspritzdauern nicht realisierbar F r Einspritzdauern zwischen ca 0 2 und 0 7 ms 100 5 4 Injektoren steigt die Einspritzmenge nichtlinear an und geht schlie lich f r l ngere Einspritzdauern in ein nahezu lineares Verh ltnis zwischen Ansteuerdauer und Einspritzvolumen ber Dieses Verhalten korrespondiert sehr gut mit den Messungen des Betriebsstromes der Einspritzd se und kann daher eindeutig auf die Boosterphase und die Anzugsphase zur ckgef hrt wer den s Anhang DAnhang Die Ergebnisse der durch W gung ermittelten Einspritzmengen mit ausgebautem Injektor und festgelegter Anzahl von Einspritzungen sind in Abbildung 5 21 dargestellt Die Messungen wurden bei einer simulierten Drehzahl von 1000 min und 2000 min mit RO
239. n Messvo lumen von 1 0 dm Umdrehung verf gt ergibt sich ein Verh ltnis von 0 5 dm Puls Die Pulse werden an einen Frequenz Spannungs Wandler Motrona DX 346 weitergeleitet und das erzeugte frequenzproportionale Spannungssignal ber den IndiCom Rechner erfasst Da zur Bestimmung des Luftmassenstroms ber die Gleichung f r ideale Gase neben dem Volumenstrom noch Druck und Temperatur der Ansaugluft bekannt sein m ssen werden im Einlaufbeh lter unterhalb des Drehkolbenz hlers beide Gr en gemessen F r die Druck messung kommt ein Halbleiterdrucksensor Freescale Typ MPXAZ4115AC6U zum Einsatz der ber eine kurze Schlauchverbindung mit dem Einlaufbeh lter verbunden ist Das Span nungssignal 0 2 4 8 V 150 1150 mbar wird ber das Indiziersystem langsame Datener fassung ber National Instruments Karte s Abschnitt 5 2 2 erfasst Au erdem wird es an den DICU Rechner weitergeleitet und dient als Regelgr e f r die Ansaugdruckregelung s Abschnitt 5 5 1 Die Temperatur wird durch ein Thermoelement unmittelbar vor dem Eintritt in den Drehkolbenz hler erfasst und mit Hilfe eines Messwandlers TXUNI TC Mess und Regeltechnik GmbH in ein Stromsignal umgesetzt 4 20 mA 0 200 C Dieses wird am 108 5 5 Ansaugsystem IndiCom Rechner mit Hilfe eines 250 Q Messwiderstands in ein Spannungssignal 1 5 V umgewandelt und ebenfalls mit Hilfe der National Instruments Karte erfasst Aus diesen Gr en sowie der Luftfeuchtigkeit k
240. n die Ziele das Vorgehen und die Er gebnisse dieser einzelnen Schritte n her erl utert und die Ergebnisse pr sentiert werden 6 2 1 Horizontaler Lichtschnitt Zur Untersuchung der Entstehung und des Abbaus von Formaldehyd im Laufe eines Ar beitsspiels wurden LIF Messungen zum qualitativen Nachweis von CHO mit dem Ziel durchgef hrt generelle Erfahrungen zur Messung von Formaldehyd unter motorischen Be dingungen zu sammeln und die sp teren Erprobung der endoskopischen Messtechnik vor zubereiten F r diese Untersuchungen kam zur Anregung ein Frequenz verdreifachter Nd YAG Laser BMI AL 152 C mit einer Wellenl nge von 355 nm und einer Pulsenergie von 40 mJ Puls zum Einsatz dessen Strahl mit Hilfe einer Teleskopoptik zu einem parallelen Lichtschnitt geformt und durch den Gilasring horizontal in den Brennraum des optischen Motors einge koppelt wurde Dieser Lichtschnitt besa eine Dicke von ca 1 mm bei einer Breite von 28 mm und verlief 2 mm unterhalb der Z ndkerze durch die Mitte des Brennraums Sein Verlauf ist in Abbildung 6 3 anhand einer Streulichtaufnahme ohne Filter des Brennraumdachs dar gestellt 133 6 Messungen EINLASSVENTILE EINSPRITZD SE Z NDKERZE AUSLASSVENTILE Abbildung 6 3 Lage des horizontalen Lichtschnitts und Positionen von Einlass sowie Aus lassventilen der Z ndkerze und der Einspritzd se gezeigt anhand einer Streulichtaufnahme des Brennraumdachs durch das Kolbenfenster Die Erfassung d
241. n dioxide emissions Additionally during the pro cess of combustion other gaseous substances like nitric oxides carbon monoxide and un burned hydrocarbons which are harmful both to the environment and human beings are formed For these reasons the reduction of fuel consumption as well as the development of combustion processes with as low pollutant production as possible are predominant targets in the development of modern combustion engines Due to its excellent optical accessibility and operational flexibility the optically accessible engine which was built up commissioned and characterized within the scope of this work is capable to contribute to the development of efficient and low emission producing combustion processes To allow for optical access to the combustion chamber the engine is equipped with both an annular optical access and a piston window thus enabling the assessment of most regions within the combustion chamber Furthermore additional endoscopic accesses allow for the testing of newly developed endoscopic measurement techniques and for a comparison of the results with findings obtained by large scale optical investigations under the same operating boundary conditions Due to various possible operational settings of the engine hardware and the possibility of applying different fuel injection systems the reproduc tion of state of the art combustion processes as well as the development of new techniques for subsequent optical
242. n dort im Laufe der Verbrennung gebildeten CH Radikalen ab Zwar kann diese Reaktion bereits bei geringeren Temperaturen von etwa 1000 K ablaufen 5 jedoch sind sehr hohe CH Konzentrationen erforderlich die erst ab et wa lt 0 7 vorliegen 8 Da diese Bedingungen beim Ottomotor nur sehr begrenzt vorliegen kann dieser Bildungsmechanismus in den meisten F llen Ausnahme Bauteilk hlung bei Volllast vernachl ssigt werden und erreicht im Normalfall h chstens einen Anteil von 5 10 der gesamten NO Bildung 5 Insgesamt l sst sich durch die homogene Vormischung bei richtiger Einstellung des Motors eine relativ schadstoffarme Verbrennung realisieren Nachteilig ist jedoch das durch die Ge fahr von Klopfen begrenzte relativ geringe erzielbare Verdichtungsverh ltnis s Ab schnitt 2 1 und die damit verbundenen Einbu en bzgl des Wirkungsgrades und der Leis tungsdichte sowie die eingeschr nkte Z ndf higkeit der Benzin Luft Gemische welche die Abmagerungsf higkeit Verringerung von thermischem NO einschr nken Die Entwicklung 13 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren moderner Otto Brennverfahren zielt daher auf die Erh hung des Verdichtungsverh ltnisses unter Vermeidung des Klopfens sowie im Teillastbetrieb auf eine m glichst hohe Abmage rungsf higkeit bei gleichzeitig zuverl ssigem Motorbetrieb Die Lastregelung erfolgt hierbei durch Anpassung der angesaugten Gemischmenge an den Leistungsbedarf mit Hilfe der D
243. n hierbei in die Aufnahme f r das Beleuchtungsendoskop des Endoskoprings einge baut Das Fluoreszenzsignal wurde durch das Kolbenglas mit Hilfe einer Bildverst rkten CCD Kamera LaVision Flame Star 2 und eines UV Objektivs UV Nikkor f 105mm 14 5 aufgenommen wobei ein Bandpassfilter f r 435 17 5 nm zum Einsatz kam um Laserstreu licht und Flammeneigenleuchten abzublocken In Aufbau B erfolgte die Anregung ber die Gasentnahmeventilbohrung in die nur die u ere Endoskoph lse mit Einkopplungsfenster 23 44 montiert war um den mit Hilfe des auch in Aufbau A verwendeten Strahlf hrungs arms bereitgestellten Strahl direkt ohne weitere optische Bauteile zur Strahlformung einzu koppeln Die Detektion erfolgte ber das im Endoskopring montierte Beobachtungsendoskop mit nachgeschalteter vom Motor entkoppelter diffraktiver Optik sowie dem bereits in Auf bau A verwendeten Filter und der Kamera 140 6 2 Messungen in der Vorz ndung ENDOSKOPRING BEOBACHTUNGSENDOSKOP ko LICHTSCHNITTENDOSKOP DETEKTION DURCH KOLBENGLAS Z NDKERZE FLAMMENFRONT 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 9 CH2O LIF aufgenommen durch das Kolbenglas Aufbau A bei 6 KW und durch das das Beobachtungsendoskop Aufbau B bei 27 KW Mit beiden Aufbauten wurden die in Abbildung 6 9 gezeigten Ergebnisse erzielt F r den Aufbau A sind bei einem Messzeitpunkt von 6 KW deutlich die drei vom Einzelstrahlen Lichtschnittendosk
244. n sog schnelle Gasentnahmeventile zum Einsatz Diese bestehen aus einem schmalen Ventilkopf Durchmesser ca 6 mm 25 der in den Zylinderkopf eingebaut wird und einer Bet tigungseinheit mit der das Ventil angesteuert werden kann Die Bet tigung kann elekt risch hydraulisch oder in seltenen F llen auch mechanisch ber eine Nockenwelle erfolgen 26 Typische ffnungszeiten liegen im Bereich von 0 6 bis 3 ms bei 0 4 bis 3 mm Ventilhub 25 Die Probe wird direkt im Ventil oder kurz danach mit einem Tr gergas verd nnt das zum einen weitere Reaktionen verhindert und zum anderen den Transport zum Messger t sicherstellt Dort wird die Gaszusammensetzung mit Hilfe eines Massenspektrometers oder eines schnellen FID untersucht 25 27 oder eine Probe z B zur Belegung von Probentr gern f r die Untersuchung im Transmissionselektronenmikroskop TEM entnommen 26 Eine andere M glichkeit der Probenentnahme besteht in der Verwendung einer Kapillare die permanent mit dem Brennraum verbunden ist und den Brennraumdruck ber mehrere Druckstufen bis auf das Druckniveau des Analysesystems abbaut Vorteilhaft ist bei diesem 40 2 4 Experimentelle Ans tze System dass nur ein sehr geringer Platzbedarf im Brennraum f r die Entnahme einer Probe besteht 27 Durch das beschr nkte Platzangebot im Zylinderkopf und die Kollisionsgefahr mit dem Kol ben oder den Ventilen k nnen die Gasentnahmeventile meist nur b ndig mit dem Brenn raumdach
245. nal und Fluoreszenzsignal vorgenommen werden kann Nach erfolgter Anregung kann die Abgabe der zugef hrten Energie auf unterschiedlichen Wegen unter Aussendung von Licht oder auch strahlungslos erfolgen Zum einen kann die Energieabgabe durch Fluoreszenz d h durch spontane Emission eines Photons erfolgen Diese Emission ist unabh ngig vom umgebenden Strahlungsfeld und erfolgt stochastisch wobei die mittlere Verweilzeit des Molek ls im angeregten Zustand als Fluoreszenzlebens dauer bezeichnet wird Das emittierte Photon hat nicht die gleiche Energie wie das urspr ng lich eingestrahlte Photon da das Molek l meist in ein h heres Energieniveau des Grundzu stands zur ckf llt s Abbildung 4 5 wodurch das Photon eine geringere Energie und somit eine h here Wellenl nge als die Anregungswellenl nge aufweist Tritt vor der R ckkehr des Elektrons in den Grundzustand zun chst ein Energietransfer zwischen den einzelnen Vibra tionsniveaus des Molek ls auf strahlungslose Umverteilung der Energie erh ht sich eben falls die Wellenl nge des emittierten Lichts Das Fluoreszenzspektrum ist daher im Vergleich zur Anregungswellenl nge rotverschoben Typische Zeitskalen f r das Auftreten von Fluo reszenz liegen in der Gr enordnung von einigen Nanosekunden nach der Anregung 63 Eine andere M glichkeit besteht in der stimulierten Emission eines Photons durch den ber gang eines angeregten Elektrons in den Grundzustand wenn Licht geeigneter
246. nalintensit t festgestellt werden kann anhand dessen Anschlie end die Verbrennung mittels des im Flammenbereich verschwindenden CH O LIF Signals beobachtet werden kann In der Zwischenkompression konnte kein Anstieg der Signalintensit t beobachtet wer den jedoch war im Anschluss an die Einspritzung ein noch recht starkes Signal zu detektie ren das nicht eindeutig auf die Anwesenheit von Formaldehyd zur ckgef hrt sondern auch durch Kraftstoffverunreinigungen verursacht werden konnte Diese Beobachtung sowie Fluo reszenzmessungen an Kraftstoff zeigten dass sich mit der verwendeten Kraftstoffanlage nicht die erforderliche Kraftstoffreinheit erzielen lie so dass der Bau einer neuen Kraftstoff anlage erforderlich wurde Da aufgrund der oben genannten Erkenntnisse nicht mit einem 174 7 Zusammenfassung ausreichenden Signalniveau f r den Einsatz der Endoskope in der Zwischenkompression zu rechnen war wurden entsprechende Versuche auf die Hauptkompression und die anschlie Bende Verbrennung beschr nkt Hierbei zeigte sich jedoch dass die Signalintensit t f r den Einsatz der Endoskope zu gering war da sich auch mit maximaler Anregungsintensit t ohne Strahlformungsoptik nur ein sehr schwaches Signal messen lie Basierend auf diesen Er kenntnissen wurden die Endoskope anschlie end optimiert und f r Messungen im HCCI Betrieb am optischen Motor verwendet Mit den optimierten Endoskopen wurde zun chst Chemilumineszenzvisualisier
247. nd ber einen weiten Wellenl ngenbereich ange regt werden kann und Fluoreszenzsignal emittiert Nachteilig sind allerdings die je nach Her kunft stark variierenden Fluoreszenzeigenschaften so dass mit kommerziellem Kraftstoff in der Regel nur qualitative und semi quantitative Messungen m glich sind Um reproduzierba re qualitative und quantitative Messungen vornehmen zu k nnen wird im Allgemeinen ein nicht fluoreszierender Basis Kraftstoff mit einem Tracer versetzt dessen Fluoreszenzeigen schaften gut charakterisiert sind Als Basis Kraftstoff kommen f r Otto Motoren Mischungen von iso Oktan und n Heptan zum Einsatz die auch als Referenzkraftstoffe zur Bestimmung der Oktanzahl verwendet werden Primary Reference Fuel PRF Der Anteil an iso Oktan entspricht hierbei der Oktanzahl z B hat PRF95 eine Oktanzahl von 95 Als Kraftstofftracer werden h ufig Ketone wie Aceton Dimethylketon CH3 CO CH Biacetyl 2 3 Butandion CH3 CO CO CH und 3 Pentanon Diethylketon CH3 CH CO CH CH eingesetzt die im UV Bereich zwischen 220 nm und 330 nm angeregt werden k nnen und relativ hnliche Verdampfungseigenschaften aufweisen wie iso Oktan 63 Aber auch Aromaten wie a Methylnaphtalin oder Toluol k nnen als Tracer verwendet werden Hierbei wird a Methyl naphtalin vor allem als Tracer f r Diesel Ersatzkraftstoffe verwendet da es sowieso bereits einen der beiden Hauptbestandteile f r Diesel Referenzkraftstoffe Mischungen von Cetan n Hexa
248. nd insofern bedacht werden dass Ver und Entsor gungsleitungen m glichst zentral gef hrt werden um einen soweit wie m glich ungehinder ten optischen Zugang zum Glasring und zum Kolbenglas zu erm glichen Au erdem sollten die erforderlichen Aggregate so platziert werden dass ein m glichst ungehinderter physi scher Zugang zum optischen Motor sowie zur Messtechnik gew hrleistet ist 168 6 5 Verbesserungspotentiale f r bestehende und zuk nftige Pr fst nde 6 5 2 Optimierungspotential f r zuk nftige Pr fst nde Im Folgenden sollen einige Aspekte zur Optimierung des Pr fstands erw hnt werden die sich im Laufe des Aufbaus und Betriebs des optischen Motors als zweckm ig erwiesen haben sich jedoch aufgrund des damit verbundenen Aufwands nicht mehr vollst ndig und oder konsequent umsetzen lie en bei einer Neukonzeptionierung aber in vielen F llen ohne erheblichen Aufwand im Gesamtkonzept ber cksichtigt werden k nnen So sollte insgesamt ein hoher Wert auf einen m glichst ungehinderten optischen Zugang zum Brennraum und zum Einkopplungsspiegel f r das Kolbenglas gelegt werden Um dies sicherzustellen sollte bereits beim Grunddesign des Motors darauf geachtet werden die notwendigen Verbindungen zwischen Grundmotor und Zylinderkopf m glichst auf einer Seite des Motors zu konzentrieren um auf den anderen Seiten einen ungehinderten Zugang zu gew hrleisten Der Zahnriemen sollte hierbei so gef hrt werden dass er m glichs
249. nd testing of an electric heating system for an optical accessible engine Praktikumsbericht Universit t Duisburg Essen 2008 V K ntscher Kraftfahrzeugmotoren Auslegung und Konstruktion 3 stark bearbeitete Auflage Verlag Technik GmbH Berlin 1995 S Zeeck Study of HCCI Engine Injection Methods and GCMS Analysis of Fuel Praktikumsbericht Universit t Duisburg Essen 2009 ETAS GmbH Benutzerhandbuch zum Lambda Meter LA4 2007 F Musielak Kalibrierung und Vergleich unterschiedlicher Abgasmesssysteme sowie Erstellung entsprechender Bedienungs und Wartungsanweisungen Studienarbeit Universit t Duisburg Essen 2008 Pierburg Messtechnik GmbH Dokumentation und Betriebsanleitung Minimal Abgasmessanlage 1986 Pierburg Messtechnik Handbuch Abgasmesstechnik 1960 W Eifler E Schl cker U Spicher G Will K ttner Kolbenmaschinen 7 Auflage Vieweg Teubner Wiesbaden 2009 181 93 94 95 96 97 98 100 Literaturverzeichnis J P H ntsche Entwicklung und experimentelle Untersuchung einer Hochdruckpumpe f r Ottoktraftstoff basierend auf ingenieurkeramischen Gleitsystemen Forschungsbericht Universit t Karlsruhe 2009 Y Urata M Awasaka J Takanashi T Kakinuma T Hakozaki A Umemoto A Study of Gasoline fuelled HCCI Engine Equipped with an Electromagnetic Valve train SAE Technical Paper 2004 01 1898 2004 B Schneider Experimentelle Untersuchungen zur Spraystruktur in transienten ver
250. ndet werden kann Au erdem dient der Z nd OT als Referenz bzw Nullpunkt der Datenerfassung d h alle Kurbelwinkelangaben f r Zeit punkte vor dem Z nd OT werden mit negativem Vorzeichen versehen alle Zeitpunkte nach dem Z nd OT mit positivem Vorzeichen Nach jeder Demontage sollte der Kurbelwinkelge ber daher wieder auf den OT eingestellt werden Vorgehen s Ger tehandbuch 78 Die Parametrierung der Kan le bez glich Aufl sung Eingangsbereich Signalkalibrierung Resultatauswahl etc erfolgt hierbei ber die Software IndiCom auf dem IndiCom Rechner Ebenso k nnen die Messwerte und Echtzeit Rechenergebnisse mit Hilfe dieser Software dargestellt und gespeichert werden Die Anzahl der Zyklen die hierbei in einer Messung auf genommen werden k nnen wird von der Anzahl der Echtzeit Resultate sowie der gew hlten Aufl sung in KW bestimmt da diese w hrend der Messung im begrenzten On Board Speicher des IndiModul 621 abgelegt und erst nach Ende der Messung von der Software abgespeichert werden k nnen Daher sollte f r die einzelnen Kan le immer nur die notwen dige und nicht die maximal m gliche Aufl sung eingestellt werden um den Speicherplatz m glichst optimal zu nutzen F r die langsamen Kan le ist eine Berechnung von Resultaten in Echtzeit nicht m glich Rechenwerte die sowohl auf schnellen als auch auf langsamen Messergebnissen beruhen k nnen daher erst nach Beendigung der Messung berechnet werden F r Prob
251. ne weitere M glichkeit zur Nutzung von Biomasse besteht in der Verg rung von Zucker und st rkehaltigen Ausgangsstoffen Das hierbei entstehende Ethanol wird abdestilliert ge trocknet und kann anschlie end als Kraftstoff genutzt werden wobei es meistens konventio nellem Ottokraftstoff zugemischt wird blich sind 5 10 Ethanol Zusatz Hierdurch entste hen zum einen geringere CO Emissionen und zum anderen k nnen so zum Teil die Eigen schaften des Kraftstoffs Erh hung der Oktanzahl verbessert werden 19 Wasserstoff kann direkt als Treibstoff sowohl f r Verbrennungsmotoren als auch f r Brenn stoffzellen verwendet werden Seine Herstellung erfolgt entweder durch Dampfreformierung gasf rmiger Ausgangsstoffe Erdgas Propan Biogas zu CO und H oder ber die elektroly tische Spaltung von Wasser 8 Aus kologischer Sicht sinnvoll ist hierbei die Erzeugung durch Elektrolyse mit Hilfe von regenerativ erzeugtem Strom oder die Herstellung aus Bio masse Da die Speicherung im Fahrzeug bei vertretbarem Speichervolumen gasf rmig nur bei hohem Druck ca 700 bar oder fl ssig bei extrem niedrigen Temperaturen 253 C erfolgen kann und zudem bisher keine Tankstelleninfrastruktur f r Wasserstoff vorhanden ist ist die Verwendung von Wasserstoff bisher nur in einzelnen Pilotprojekten realisiert worden 19 Eine aktuell untersuchte Alternative die Wasserstoff als Zwischenprodukt nutzt besteht in der Umwandlung von Wasserstoff in Methan un
252. nen wird die in Abbildung 5 27 dargestellte elektrische Luftvorw r mung verwendet Diese ist unmittelbar vor der Drosselklappe installiert so dass die vorge w rmte Luft beim Passieren der Drosselklappe intensiv verwirbelt und so evtl noch vorhan dene Inhomogenit ten abgebaut werden Das Heizelement besteht aus zwei kreuzf rmig angeordneten Tr gerplatten Glimmer Mikanit die die gewellten Heizdr hte tragen Vor dem Heizelement befindet sich ein halbkugelf rmiger Stauk rper der zusammen mit dem Ge h use f r eine gute Umstr mung der Heizdr hte sorgt s Abbildung 5 27 Um die Zerst rung des Heizelements und die Entstehung von Br nden durch unbeabsichtigten Betrieb des Heizelements bei Motorstillstand zu vermeiden ist eine Schmelzsicherung 150 C auf der Eintrittsseite oberhalb des Heizelements eingebaut um die Stromzufuhr rechtzeitig zu unter brechen ELEKTRISCHER ANSCHLUSS EINLASSBERUHIGUNGSVOLUMEN STAUK RPER LUFTEINTRITT DROSSELKLAPPE HEIZELEMENT Abbildung 5 27 Elektrische Luftvorw rmung Die Heizleistung der Luftvorw rmung betr gt 1000 W und wurde so gew hlt dass eine Vor w rmung der Ansaugluft auf ca 120 C bei vollem Ansaugdruck von 1200 mbar und dem maximalen F rdervolumenstrom des Seitenkanalverdichters von 25 m h sowohl mit Luft als auch mit Stickstoff erreicht werden kann Da in den meisten F llen jedoch geringere Volu menstr me und Dr cke verwendet werden wird die Heizleistung nicht voll
253. ng des Ottomotors ber die zugef hrte Gemischmenge erfolgt Quantit tsregelung Im Gegensatz dazu erfolgt die Leistungsregelung beim Diesel motor ber die Menge des eingespritzten Kraftstoffs nach der Verdichtung Qualit tsrege lung so dass immer die gleiche Luftmenge angesaugt wird und daher auch keine Drossel verluste entstehen In diesem Zusammenhang ist auch die Definition des Luftverh ltnisses A erforderlich welches das Verh ltnis der tats chlichen Luftmasse m zur f r eine st chiomet rische Verbrennung einer gegebenen Kraftstoffmasse erforderlichen Luftmenge M st be schreibt my 1a 2 16 ML st 10 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren Beim Ottomotor muss das Gemisch immer so eingestellt werden dass sich das Luftverh lt nis in einem z ndf higen Bereich bewegt Dieser liegt typischerweise zwischen etwa 0 6 lt lt 1 6 Da bei zu hohem Kraftstoffanteil A lt 1 fettes Gemisch aufgrund von Sauer stoffmangel kein vollst ndiger Ausbrand des Kraftstoffs erfolgen kann und bei zu hohem Luft berschuss X gt 1 mageres Gemisch die Gefahr des Verl schens der Flamme besteht werden Ottomotoren in weiten Betriebsbereichen mit einem nahezu st chiometrischen Luft verh ltnis von X 1 betrieben Im Gegensatz dazu k nnen Dieselmotoren mit sehr hohen Luft bersch ssen betrieben werden 1 3 lt lt 6 0 da sich bei der Ausbreitung des Kraft stoffstrahles und der Durchmischung mit der umgeben
254. ng sprechen In diesem Zusammenhang kann eine Drosselklappenposition von ca 10 als bester Kompromiss angesehen werden da in diesem Fall die D mpfung 111 5 Versuchsanlage sowohl positiver als auch negativer Druckabweichungen vom Luftkesseleinlassdruck mittle rer Ansaugsystemdruck mit etwa 99 sehr hoch ist andererseits aber auch bereits 85 der Ansaugluftmenge und 92 des Ansaugdrucks Abbildung E 6 erreicht sind wobei hier eine Erh hung des Ansaugdrucks bzw der Ansaugluftmenge durch Erh hung des Ansaugsys temdrucks mit Hilfe des Ansaugdruckreglers bzw des Stickstoffdruckreglers immer noch m glich ist 100 99 Negative Abweichungen vom Mittelwert Positive Abweichungen vom Mittelwert D mpfung e2 O u 94 93 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Drosselklappenposition Abbildung 5 28 D mpfung von im Saugrohr auftretenden Druckspitzen bis zum Beruhi gungskesseleintritt in Abh ngigkeit von der Drosselklappenposition Weitere Vorteile durch die Verwendung der Drosselklappe ergeben sich bez glich eines ho mogenen Ansaugluftzustandes da durch die scharfen Abstr mkanten der Drosselklappe eine gute Verwirbelung der vorgew rmten Luft s Abschnitt 5 5 5 und im Falle einer Kraft stoffeinspritzung in das Einlassberuhigungsvolumen Abschnitt 5 5 7 eine gute Durchmi schung von Kraftstoff und Luft erfolgt so dass von einer guten Temperatur und Mischungs homogenisierung im Einlassberuhi
255. ngsvorg nge im Brennraum sowohl in optisch zug nglichen Motoren als auch in seriennahen Motoren visua lisiert und die Kraftstoffverteilung ermittelt werden Au erdem kann das Kraftstoffspray visua lisiert und die Verdampfung der Kraftstofftropfen sowie die Interaktion des Sprays mit der Zylinderinnenstr mung untersucht werden Letztendlich kann auch der Abbrand nach erfolg ter Z ndung sowie die Temperaturentwicklung in weiten Teilen des Zyklus verfolgt werden Das sich durch diese Messungen ergebende Gesamtbild liefert somit wichtige Hinweise zur Verbesserung der Prozessf hrung und erm glicht so die Schadstoffreduktion und Ver brauchsoptimierung Einige dieser Methoden wurden im Rahmen dieser Arbeit angewendet und werden in den Abschnitten 2 4 3 4 und 6 n her erl utert 2 2 2 Dieselmotoren Der Dieselmotor stellt nach wie vor die effektivste W rmekraftmaschine mit innerer Verbren nung dar und erreicht effektive Wirkungsgrade von bis zu 50 11 Hierf r sind im Vergleich zum Ottomotor im Wesentlichen zwei technische Merkmale des Dieselmotors verantwortlich Zum einen erfolgt die Lastregelung nur ber die Menge des eingespritzten Kraftstoffes Qua lit tsregelung d h die angesaugte Luftmenge bleibt konstant so dass Drosselverluste wie sie aufgrund der Quantit tsregelung beim Ottomotor auftreten vermieden werden Zum an deren k nnen Dieselmotoren mit einem wesentlich h heren Verdichtungsverh ltnis 12 lt e lt 21 sowie ggf Lad
256. nn R CKLAUFLEITUNGEN Rn EEE E i 1 l GEM am E SEE SEHRREEENE OL LT TDrRUcK BEGRENZUNGS VORLAUFLEITUNGEN VENTIL u _ SCHALTER SCHMIERWASSER BEH LTER SPEICHER EINSPRITZSIGNAL l EINSPRITZD SE nmm VERSORGUNG ANSTEUERUNG KRAFTSTOFFLEITUNG Abbildung 5 16 Aufbau der Hochdruck Kraftstoffanlage Der Aufbau der Hochdruckkraftstoffanlage ist in Abbildung 5 16 schematisch dargestellt Abbildung 5 17 zeigt ein Foto der Kraftstoffanlage Zur F rderung des Kraftstoffs kommt eine Kolbendosierpumpe Sigma Basis Kolben ProMinent mit einer maximalen F rderleistung von 6 1 I h und einem Maximaldruck von 140 bar zum Einsatz Die F rderleistung der Pumpe kann ber den variablen Kolbenhub dem Kraftstoffbedarf angepasst werden Die F rderein heit besteht vollst ndig aus Edelstahl und kann zwecks Wartung leicht von der Hubeinheit getrennt werden Der Pumpenkolben besteht aus Keramik und wird ber eine Tef Ion Graphit Stopfbuchsenpackung abgedichtet Da sich im Betrieb herausgestellt hat dass die Schmierung des Kolbens mittels Kraftstoff nicht m glich ist und bei l ngerem Betrieb zum Klemmen des Kolbens f hrt erfolgt die Schmierung mit Hilfe von destilliertem Wasser dass aus einem Glasbeh lter Schmierwasserbeh lter der Stopfbuchse zugef hrt wird Eindrin gen von Wasser in das Kraftstoffsystem ist hierbei nicht m glich da durch den hohen Sys tem berdruck ke
257. nnraum verbessert als auch durch die Entwick lungen auf den Gebieten der Elektronik Kameratechnik und Lasertechnik die Grundlagen f r eine Vielzahl neuer Analysemethoden geschaffen Im folgenden Abschnitt soll ein berblick ber verschiedene Bauarten optisch zug nglicher Motoren gegeben werden allerdings ohne dass aufgrund der Vielzahl umgesetzter Einzell sungen ein Anspruch auf Vollst ndigkeit erhoben werden kann VENTILMECHANIK ZIGARETTEN GLASZYLINDER HANDKURBEL Abbildung 3 1 Versuchsmotor von Nicolaus August Otto 41 3 1 Bauformen optischer Motoren Der optische Zugang zum Brennraum eines Verbrennungsmotors kann auf unterschiedlichs te Art und Weise erfolgen wobei sich mit zunehmender Gr e des Zugangs mehr oder we niger gro e Einschr nkungen bzgl des Betriebsverhaltens und der Hochlastf higkeit erge ben Kleine optische Zug nge k nnen daher an Serienmotoren oder seriennahen Motoren 53 3 Versuchstr ger optischer Motor angewendet werden wohingegen sich gro fl chige Zug nge auf die Anwendung in For schungsmotoren beschr nken 42 Eine bersicht h ufig angewendeter Methoden zur Her stellung optischer Zug nge und der damit einhergehenden Abweichungen vom Serienmotor ist schematisch in Abbildung 3 2 anhand eines Einzylindermotors dargestellt A B KOLBEN FENSTER SPIEGEL HALTER GLASRING ENDOSKOPE GLASFASER KOLBENVER L NGERUNG SPIEGEL pemen FENSTER
258. ntes leicht mageres Luftverh ltnis von A 1 2 bei allen Versuchen beizubehalten Da ein erster Probelauf zeigte dass ohne Z ndfunkenunterst tzung bei kaltem Motor d h ohne vorherige Verbrennung keine Selbstz ndung eintrat wurden alle Betriebspunkte zu n chst mit Fremdz ndung gestartet um den Motor aufzuw rmen und hei es Abgas f r die Zwischenkompression bzw den n chsten Zyklus zur Verf gung zu stellen Je nach Be triebsverhalten wurde daher ein Z ndzeitpunkt zwischen 50 KW und 40 KW gew hlt um die Schwerpunktslage 50 Umsatzpunkt der Verbrennung auf einen Wert zwischen 7 KW und 10 KW nach ZOT einzustellen Alle Versuche wurden zun chst mit Stahldummys anstel le der Glasbauteile durchgef hrt um das Zerst rungsrisiko durch unbekannte Betriebszu st nde m glichst gering zu halten Die Versuche zeigten zun chst dass es insbesondere in den ersten gefeuerten Zyklen zu gef hrlichen Druckanstiegsraten und Spitzendr cken kommen kann Hierbei ging aus den aufgenommenen Druckverl ufen hervor dass im ersten Zyklus in dem eine Einspritzung vorgenommen wird noch keine Verbrennung eintritt Im n chsten Zyklus erfolgt jedoch stets eine Verbrennung mit hohem Spitzendruck bis zu 60 bar und sehr schnellem Druckanstieg 7 8 bar KW wohingegen ab dem darauffolgenden Zyklus eine Verbrennung mit normalen Spitzendr cken bis ca 35 bar und Druckanstiegsraten 1 2 bar KW vorlag Durch eine daraufhin durchgef hrte Variat
259. nvollst ndige Verbrennung Daher ist es notwendig die A Sonde regelm ig gem dem im Handbuch des Lambdameters 88 beschriebenen Verfahren mit Hilfe von Referenzgasen zu berpr fen und ggf zu ersetzen Um diesen Kalibrier bzw Pr fvorgang zu erleichtern und durch gleichbleibende Bauteile eine konstante Qualit t der berpr fung zu gew hrleisten wurde die in Abbildung 5 31 dargestellte Kalibriereinrichtung aufgebaut Diese besteht aus einem Schwebek rperdurchflussmesser zur Einstellung des n tigen Kalib riergas Durchflusses einer wassergef llten Waschflasche dem Systemdruckmanometer Plattenfedermanometer f r 0 400 mbar und einer Sicherheits Berstmembran zum Schutz 117 5 Versuchsanlage des Manometers vor zu hohen Dr cken Zur Kalibrierung wird die A Sonde in einen Beh lter eingeschraubt um unzul ssig hohe Str mungsgeschwindigkeiten zu vermeiden Zur Durch f hrung der Kalibrierung werden unterschiedliche Gase f r den fetten den neutralen X 1 und den mageren Bereich durch die Anlage geleitet um zu pr fen ob die gemessenen Wer te mit den Werten der Kalibriergase bereinstimmen und geringe Abweichungen durch Kor rektur der Parameter im Steuerger t auszugleichen genauere Beschreibung s Anhang F sowie Betriebshandbuch des A Meters 88 K nnen die Spezifikationen nicht mehr erreicht werden oder zeigt die Sonde nach der Kalibrierung bei berpr fung im Ger t eine Mess wertdrift so ist die Sonde zu ersetz
260. nzelstrahlen Lichtschnittendoskop aus gebaut und der Strahl ohne weitere Strahlformungsoptik eingekoppelt werden um eine aus reichende Signalintensit t zu erzielen Hierdurch konnte die insgesamt einkoppelbare Puls energie von 70 mJ Puls auf die mit Hilfe des Strahlf hrungsarmes bertragbare Pulsenergie von 30 mJ Puls erh ht werden wobei jedoch noch zu ber cksichtigen ist dass Verluste durch das Fenster zur Abdichtung des Brennraums Saphir Transmission 85 bei 355 nm auftreten sowie Teile des runden Strahls durch die Geometrie der Einkopplungsbohrung abgeschnitten werden ca 60 Verlust Insgesamt ist somit von einer eingekoppelten Puls energie von ca 10 mJ Puls auszugehen Mit dieser Anordnung gelang schlie lich die Detek tion von Formaldehyd ber das Beobachtungsendoskop wobei jedoch nicht die aus den Voruntersuchungen zu erwartenden Intensit ten erreicht werden konnten Dieser Umstand k nnte auf den Einfluss durch den Einsatz des Endoskoprings auf das Verhalten des Motors insbesondere auf die thermischen Eigenschaften des Brennraumes und somit der Ladungs temperatur zur ckzuf hren sein durch die eine verminderte Bildung von Formaldehyd statt finden k nnte Andererseits lassen die Messwerte dieses Betriebspunktes nur auf einen ge ringen Einfluss des Endoskoprings auf das Brennverhalten schlie en so dass insgesamt der Schluss zul ssig ist dass die Signalausbeute bei Verwendung des Beobachtungsendoskops nicht so hoch ist
261. oberfl che zu verursachen Hierdurch gelang es nur wenige Teile der Brennraumoberfl che im f r die Messungen interessanten Bereich zu treffen so dass st rende Reflektionen nur an Teilen der Einspritzd senspitze und an den B geln der Z ndkerze auftreten konnten Die Einkopplung des Lasers in das Lichtschnitten doskop erfolgte wie bereits bei den in Abschnitt 6 2 2 beschriebenen Messungen mit Hilfe eines Strahlf hrungsarmes LaVision Die Anordnung der Endoskope f r die Streulichtmes sungen entspricht der in Abbildung 6 11 dargestellten Anordnung f r die Untersuchungen im HCCI Betrieb Bei Verwendung des Glasrings erfolgt die Beobachtung aus der gleichen Richtung wie beim Beobachtungsendoskop jedoch mit dem konventionellen UV Objektiv Mit beiden Methoden kann der Verlauf der Einspritzung bis zur Verdampfung des Sprays nachvollzogen werden jedoch ergibt sich bei Verwendung des Gilasrings ein im Vergleich zur endoskopischen Mes sung gr erer Beobachtungsbereich Abbildung 6 19 zeigt einen Vergleich der Beobach tungsbereiche f r beide Versuchsaufbauten bei identischen Betriebsbedingungen und Mess zeitpunkt sowie den durch das Lichtblatt erfassten Ausschnitt des Beobachtungsbereichs Hierbei zeigt sich dass ab einer bestimmten Eindringtiefe des Sprays die Sprayspitze auf der rechten Seite den Bereich des Lichtschnitts verl sst so dass ab dieser Eindringtiefe nur die linke Seite des Sprays f r die Messungen verwendet werden kann Eine w
262. oher Last geringer als die Ein spritzdauer ist erfolgt ein Teil der Einspritzung meist bei bereits gestarteter Verbrennung so dass es nicht gelingt den gesamten Kraftstoff vor der Z ndung zu verdampfen Dies w re zur Vermeidung von Ru bildung w nschenswert da so extrem fette Gemischbereiche ver mieden werden k nnten Andererseits entstehen in den vorgemischten Bereichen aufgrund hoher Verbrennungstemperaturen vermehrt Stickoxide die im weiteren Prozessablauf nicht mehr abgebaut werden k nnen In fetteren Bereichen hingegen erfolgt eine vermehrte Ru produktion bei gleichzeitig relativ geringen Verbrennungstemperaturen Da Ru prinzipiell noch w hrend der Verbrennung oxidiert werden kann besteht ein wesentliches Ziel der mo dernen Verbrennungsentwicklung f r Dieselmotoren in einer m glichst effektiven Nachoxida tion des entstandenen Ru es Hierf r ist eine m glichst geringe Partikelgr e sowie wenig 19 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren Agglomeration und eine gute Durchmischung des ru behafteten Abgases mit restlichen Luft im Brennraum n tig s o Moderne Einspritzsysteme mit Piezo und Magneteinspritzventilen k nnen hierzu einen wichtigen Beitrag leisten da durch sie sowohl Mehrfacheinspritzungen zur Erh hung von turbulenter Durchmischung im Brennraum als auch eine Beeinflussung der Einspritzrate w hrend des Einspritzvorgangs rate shaping m glich sind Daher ist die Ver wendung solcher D sen auc
263. ol 184 Anhang B Ventilerhebungskurven Abbildung B 1 zeigt die Ventilerhebungskurven der Einlass sowie der Auslassventile Der Maximalhub der Einlassventile kann stufenlos von 0 0 bis 9 7 mm mit Hilfe des Valvetronic Systems Detaillierte Beschreibung s Abschnitt 5 1 2 auch bei laufendem Motor eingestellt werden Der Maximalhub der Auslassventile kann nicht ver ndert werden da er durch die Geometrie der Nockenwelle fest vorgegeben ist und durch die Ventilhebelmechanik direkt auf die Ventile bertragen wird Es kann jedoch bei Bedarf eine andere Nockenwelle ver wendet werden die einen maximalen Auslassventilhub von 5 0 mm erzeugt Die Einstellung der Steuerzeiten erfolgt wie im n chsten Abschnitt beschrieben 10 9 7 mm Auslassventilhub Einlassventilhub Ventilhub mm VI 240 180 120 60 0 60 120 180 240 300 Kurbelwinkel bez auf LOT KW Abbildung B 1 Ventilhubverl ufe der Einlass und Auslassventile f r eine symmetrische Ven tilspreizung von 100 KW Einstellung der Steuerzeiten Abbildung B 2 zeigt am Beispiel der Druckverl ufe eines Fremdgez ndeten und eines HCCI Betriebspunktes sowie der zugeh rigen Ventilerhebungskurven die Einstellungen der Steuerzeiten Einlass und Auslassspreizung Diese Steuerzeiten k nnen nur bei stillstehen dem Motor durch ver ndern der relativen Nockenwellenpositionen zur Kurbelwellenposition eingestellt werden Zu diesem Zweck sind sowohl die Kurbelwelle Sc
264. om Mittelwert des Ansaugdrucks bzw des Luftkesseldrucks in Abh ngigkeit von der Drosselklappenpositi on 105 95 85 75 Einlassdruck 65 Ansaugluftmenge 55 Einlassdruck Ansaugluftmenge 45 35 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Drosselklappenposition Abbildung E 6 Saugrohrdruck und Ansaugluftmenge in Abh ngigkeit von der Drosselklappenposition 203 Anhang F Motorparameter zur Genauigkeitsabsch tzung der Messung Zur Absch tzung der Genauigkeit von A Messungen mit Hilfe der Lambdasonde und zur Be stimmung des Anteils unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas des optischen Motors wurden Messungen der Abgaszusammensetzung mit Hilfe des Abgasmessschranks bei ver schiedenen Einspritzzeitpunkten vorgenommen s Abschnitte 5 6 2 und 5 6 3 Die zugeh rigen Betriebsparameter des optischen Motors sind in der nachfolgenden Tabelle F 1 zu sammengefasst Tabelle F 1 Motorparameter der Versuche zur Genauigkeit der A Messungen und zur Mes sung der Abgaszusammensetzung mit Hilfe des Abgasmessschrankes Motorparameter und Standard Messwerte Drehzahl min K hlwassertemperatur C Einlassspreizung KW Auslassspreizung KW Einlassventilhub mm Drosselklappenstellung Ansaugtemperatur 27 5 o B preastamene _ imooe anna T T a eo Tar soeUmsazpunt KW 147 173 128 124 150 202 204 aa 255 P OEE und Berechnungsergebnisse enmaren mann ze an m a au an m au am Restsa
265. one gebildet Diese tr gt das Kolbenglas aus Saphir mit einer Dicke von 20 mm Das Kolbenglas wird mit einem kegelf rmigen Absatz von unten mit Hilfe einer Spannmutter in der Kolbenkrone verspannt Die Abdichtung gegen ber dem Brennraum erfolgt allein durch den Kontakt der kegelf rmigen Fl chen von Kolbenglas und Kolbenkrone ohne eine zus tzliche Dichtung Das Kolbenglas kann alternativ auch aus Quarz ausgef hrt werden wenn dessen zum Teil bessere Transmissionseigenschaften ge nutzt werden sollen Allerdings muss hierbei die geringere Dichte von Quarz und die somit verringerte Masse des Kolbenglases ber cksichtigt werden Die Kolbenkrone muss in die sem Fall durch eine Variante mit verringerten Gewichtsreduktionsbohrungen s u ersetzt werden um den Massenausgleich des Motors nicht zu st ren Um die Gefahr der Zerst rung des Kolbenglases durch im Betrieb auftretende thermische Materialspannungen zu minimie ren ist die Kolbenkrone aus Invar Legierung aus 35 Ni und 65 Fe mit einem L ngen ausdehnungskoeffizienten von 1 5 3 5x10 K 71 hergestellt wodurch der technisch geringstm gliche Abstand zu den W rmeausdehnungskoeffizienten von Saphir a 5 4 6 2x10 K 72 und Quarz a 0 3 0 6x10 K 73 erzielt wird zum Vergleich z B Stahl besitzt einen W rmeausdehnungskoeffizienten von a 12x10 K 74 Das Kolben glas kann bei Bedarf z B kritische oder unbekannte Betriebsbedingungen durch einen Stahl Dummy e
266. onenten verh lt nism ig einfach und schnell sowie kosteng nstig simuliert werden kann Da hierbei die De tailtiefe begrenzt ist werden in besonders interessanten Bereichen z B Brennraum An saugkan le Ventile und Abgaskr mmer detailliertere Multizonenmodelle verwendet oder dreidimensionale CFD Berechnungen angestellt Eine bersicht dieser Modelle die in den folgenden Abschnitten noch etwas genauer betrachtet werden sollen ist in Abbildung 2 14 gegeben 46 2 5 Numerische Methoden Thermodynamisch Ph nomenologisch CRFD Computational Reaction Fluid Dynamics 0O dimensional Quasi dimensional Multi dimensional e empirische Brennfunktion e physikalische und e Massen Energie und e keine Schadstoffbildung chemische Teilmodelle Impulserhaltung e kein turbulentes e detaillierte physikalische Str mungsfeld und chemische Teilmodelle N OOIINSYT e gew hnliche Differential e gew hnliche Differential e partielle Differential gleichung Zeit gleichungen Zeit gleichungen Zeit Raum Abbildung 2 14 Numerische Verbrennungsmodelle unterschiedlicher Komplexit t 4 2 5 1 Null und eindimensionale Berechnungen Null und eindimensionale Berechnungsverfahren werden in allen Phasen der Motorenent wicklung eingesetzt um das Zusammenspiel von Ansaugsystem Abgassystem Turbolader und sonstigen Steuer und Regelorganen des Motors in einer sog Ladungswechselrechnung eindimensional sowie der Energieumsetzung nulldi
267. onnten Bereits mit dem Auge konnten Ver nderungen des Kraftstoffes gelbliche Verf rbung nach kurzer Um laufzeit in der konventionellen Hochdruckpumpenanlage festgestellt werden Durch an schlie ende Vermessung von Proben im Fluoreszenzspektrometer Varian Carry 400 konn te nachgewiesen werden dass sich ein erhebliches Fluoreszenzsignal einstellt welches in Abbildung 5 15 exemplarisch anhand der Messergebnisse f r PRF7O bei Anregung mit 355 nm gezeigt ist Als Quelle der Verunreinigungen kommen verschiedene Ursachen in Betracht So besteht die konventionelle Anlage aus einer Niederdruck Vorpumpe und einer Hochdruckpumpe die eine Vielzahl von Kunststoffkomponenten Dichtungen Geh usebauteile etc enthalten und au erdem durch Kraftstoffschl uche aus Kunststoff verbunden sind Diese Kunststoffe k n nen zum einen chemische Komponenten freisetzen und unter Umst nden auch Bestandteile des Kraftstoffes aufnehmen die sp ter erst nach und nach wieder abgegeben werden wo durch die Reinigung erheblich erschwert wird Da die betroffene Anlage anf nglich mit kon ventionellem Ottokraftstoff betrieben wurde kommt dieser Umstand als eine m gliche Verun reinigungsquelle in Betracht Weiterhin muss die Kupplung zwischen Hochdruckpumpe und Antriebsmotor mit Schmier l versorgt werden so dass vermutet werden kann dass kleine Mengen l an der Wellendichtung vorbei in den Kraftstoff gelangen Als weitere Ursache kommt die hohe Umw lzleistung de
268. op erzeugten Strahlen anhand des LIF Signals zu erkennen Die Position der Flammenfront l sst sich jedoch nicht feststellen Im Aufbau B erfolgte die Messung bei 27KW Auch hier ist der zur Anregung verwendete runde Strahl anhand des Fluoreszenz signals von Formaldehyd erkennbar Zus tzlich kann in diesem Fall auch die Flammenfront anhand des Ausbleibens von Signal im gekennzeichneten Bereich erfasst werden 141 6 Messungen F r beide F lle zeigte sich dass Formaldehyd erst nach der Z ndung zu Zeitpunkten detek tiert werden konnte von denen aus den vorhergehenden Untersuchungen bereits hohe CH gt O Konzentrationen bekannt waren s Abbildung 6 8 in Abschnitt 6 2 1 Aus diesem Grund wurde das in Aufbau A zun chst verwendete kontinuierliche Lichtschnittendoskop nach ersten Probemessungen durch das Einzelstrahlen Lichtschnittendoskop ersetzt da die erzielbare Fluoreszenzintensit t nicht ausreichte Hierdurch konnte zwar die insgesamt ein gekoppelte Pulsenergie nicht erh ht werden jedoch die Energiedichte im Bereich der Ein zelstrahlen erh ht und somit die Fluoreszenzintensit t gesteigert werden Da in Aufbau A die Beobachtung mittels konventioneller Optik wie bei den Messungen aus Abschnitt 6 2 1 durch das Kolbenglas erfolgte konnte die geringe Signalintensit t auf die relativ geringe ber das Endoskop einkoppelbare Energie zur ckgef hrt werden In Aufbau B wiederum musste nach Feststellung eines zu geringen Signalniveaus das Ei
269. optimierte Auslegung des Verbrennungsmotors erfolgen da er nicht mehr allein das gesamte vom Kraftfahrzeug geforderte Drehmoment Drehzahlspektrum abdecken muss Downsizing Downspeeding wird erleichtert Der Elektromotor hingegen kann neben der Verwendung als alleiniger oder unterst tzender Antrieb auch zur Energier ckgewinnung ein gesetzt werden was bei einem reinen Verbrennungsmotorantrieb nicht m glich w re oder je nach Fahrzeugkonzept zur Verbesserung der Fahrdynamik eingesetzt werden Diesen Vor teilen stehen jedoch auch einige Nachteile gegen ber So f hrt die Kombination von zwei Antriebssystemen und den notwendigen Energiespeichern Akkumulatoren zu einem sehr komplexen Gesamtsystem mit einem hohen Steuer und Regelungsaufwand was sich nega tiv auf die Herstellungskosten auswirkt Au erdem tr gt das hohe Gewicht der zur Zeit zur Verf gung stehenden Speichersysteme zu einem vergleichsweise hohen Fahrzeuggewicht bei was sich wiederum negativ auf den Verbrauch auswirkt 18 19 Da die Kombination von Elektro und Verbrennungsmotor in vielf ltiger Weise erfolgen kann wird f r eine detaillierte Beschreibung der Kopplungskonzepte sowie der Vor und Nachteile auf die einschl gige Fachliteratur wie z B 18 20 verwiesen 2 3 4 Verwendung alternativer Kraftstoffe Auch in absehbarer Zukunft werden kohlenwasserstoffbasierte Kraftstoffe eine wichtige Rolle f r den Antrieb von Fahrzeugen spielen da sie aufgrund ihrer hohen Energiedic
270. owie ggf die Ansaug und Abgassystem Druckverl ufe verwendet s Kapitel 2 4 1 Bei Neuentwicklungen wird zun chst auf Messdaten des Vorg ngermodells zur ck gegriffen Sollen die Vorg nge im Brennraum mit Hilfe nulldimensionaler Betrachtungen detaillierter beschrieben werden kommen Zwei Zonen oder Multi Zonen Modelle zum Einsatz bei de nen der Brennraum modellhaft in Zonen unterteilt wird die durch die Flammenfront getrennt werden quasi dimensionale Modelle Die Form dieser Zonen h ngt von der verwendeten Modellvorstellung wie z B der Durchmischung von Kraftstoff und Luft ab So kann z B der 48 2 5 Numerische Methoden Einspritzstrahl eines Dieselmototors als Freistrahl modelliert werden oder es wird beim sog Paketmodell im Verlauf der Einspritzung kontinuierlich eine Reihe von Paketen generiert die sich in den Brennraum hinein bewegen und denen nach und nach Luft zugemischt wird Den sich so ausbildenden Zonen oder Paketen sind jeweils Rechenmodelle f r den Verbren nungsablauf und ggf die Schadstoffentstehung zugeordnet aus denen sich die chemische Zusammensetzung die Temperatur etc der jeweiligen Zone im Verlauf der Verbrennung ergibt Durch die Ver nderung der Anteile dieser Zonen am Gesamtbrennraumvolumen so wie der Bilanzierung der Massen und Energiestr me sowohl untereinander als auch zu den Brennraumw nden im Laufe eines Arbeitsspiels k nnen so die sich ver ndernden Beitr ge der Zonen z B zu den Wand
271. pannung als sinnvoll erwiesen da erfahrungsgem einige Bauteile aus dem Automobilbereich sowie verschie denste Sensoren mit Spannung versorgt werden m ssen Durch zentrale Bereitstellung der Versorgungsspannung kann so die Anzahl zus tzlicher Netzteile und langer Versorgungska bel verringert werden Die Leistung der Spannungsquelle sollte aufgrund des h ufig recht hohen Leistungsbedarfs der Automobilkomponenten mindestens 1000 W betragen wobei die M glichkeit des Auftretens hoher Str me bei der Wahl des Leitungsquerschnitts zu be r cksichtigen ist Zur bertragung von Mess und Steuersignalen bietet es sich an die bertragungsleitungen in einem Anschlusskasten zusammenzuf hren und von dort aus ber ein vieladriges gut abgeschirmtes Messkabel aus der Messkabine herauszuf hren Hierbei sollte die Masse der Signalleitungen nicht mit der Abschirmung der Sammelleitung oder der Pr fstandserde ver bunden werden um keine unbeabsichtigte Signalbeeinflussung der Kan le untereinander zu verursachen Am Anschlusskasten sollte f r jeden Kanal mindestens ein weiterer Anschluss vorhanden sein um das Signal auch in der Messkabine z B f r Einstellarbeiten oder zur Fehlersuche leicht abgreifen zu k nnen F r die Signalleitungen sowie f r die Niederspan nungsversorgung sofern von Seiten der Leistung zul ssig sollte ein einheitlicher Verbin dungs bzw Leitungstyp wie z B BNC verwendet werden um Anschl sse leicht tauschen und defekt
272. r H N TA N I 200 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0 60 120 180 Kurbelwinkel Abbildung 6 20 Einspritzzeitpunkte der Spraymessungen dargestellt anhand des Zylinder druckverlaufs sowie Ergebnisse Temperatur und Dichte im Brennraum einer 1D Simulation dieses Betriebspunktes 6 3 3 Ergebnisse Die Ergebnisse mit Detektion durch den Glasring sind in Abbildung 6 21 vergleichend f r vier verschiedene Zeitpunkte nach Einspritzbeginn dargestellt Die gezeigten Bilder wurden hier bei mit gemittelten Hintergrundbildern Mittelwert aus 25 Aufnahmen der jeweiligen Kurbel winkel bei eingeschaltetem Laser jedoch ohne Einspritzung korrigiert um durch Reflektionen des Laserstrahls an den Brennraumoberfl chen verursachtes Signal zu entfernen Anhand der Aufnahmen werden die verschiedenen Phasen der Sprayausbreitung deutlich W hrend der Einspritzung zeigen sich im Schnitt durch das kegelf rmige Kraftstoffspray zun chst zwei d nne Kraftstoffstrahlen die sich mit zunehmender Einspritzdauer und Eindringtiefe durch Interaktion mit dem umgebenden Gas vor allem im Bereich der Sprayspitze immer mehr verbreitern so dass ein keulenf rmiger Querschnitt entsteht Im Bereich zwischen den bei den Strahlen sind die nicht geschnittene Innen und Au enfl che des Spraykegels durch indirekt gestreutes Licht trotz geringerer Signalintensit t deutlich zu erkennen 0 6 und 1 2 KW nach EB Im weiteren Verlauf l st sich nach Ende der Einsp
273. r ere Partikel x gt 20 die Regeln der geometrischen Optik angewendet werden k nnen Hier beh lt zwar auch die Mie Theorie ihre G ltigkeit jedoch sind die Methoden der geometrischen Optik deutlich leichter anwendbar Die Mie Theorie liefert unter Ber cksichtigung der Randbedingungen f r sph rische Partikel die exakte L sung der Maxwell Gleichungen f r die Streuung einer elektromagnetischen Welle an einem sph rischen Objekt Das einfallende Licht wird hierbei durch Reflexion Bre chung und Beugung am Partikel in alle Raumrichtungen gestreut Die Intensit t des gestreu ten Lichts h ngt dabei stark von der Betrachtungsrichtung ab s Abbildung 4 4 wobei ne ben dem Partikeldurchmesser d auch der Brechungsindex sofern der Partikel Transparent ist sowie die Intensit t und die Polarisationsrichtung des Lichts einen Einfluss aus ben 61 Abbildung 4 4 Streulicht Intensit tsverteilung X 532 nm am Beispiel eines ltropfens d 10 um in Luft 32 Wie aus Abbildung 4 4 hervorgeht wird das einfallende Licht in verschiedene Raumrichtun gen unterschiedlich stark gestreut Um eine m glichst hohe Signalintensit t f r die Detektion nutzen zu k nnen w re daher insbesondere die Detektion aus der Vorw rtsstreurichtung 180 deutlich vorteilhafter als orthogonal dazu 90 In der Praxis wird jedoch in den meis ten F llen die orthogonale Detektion verwendet da zum einen bei Detektion in Vorw rts streurichtung die Lich
274. r 42 mm nicht zentrisch in der Kolbenmulde angeord net mm Endoskopisch zug nglicher 4 Zylinder BMW Motor N46 B20 OL der Universit t Duisburg Essen Beleuchtungsendoskop zwischen den Einlassven tilen Beobachtungsendo skop auf der Abtriebssei te rechtwinklig zum Be leuchtungsendoskop 4 Zylinder Se rienmotor VW Forschung und Entwicklung 347 5 6 Zylinder HCCI Motor der Universit t Lund basierend auf Volvo TD100 Optischer HCCI Motor der Uni versit t Lund basierend auf Scania D12 6 Zylinder Motor Nur ein Zylinder mit Glas ring ausgestattet Kol benverl ngerung und 41 127 5 1966 Variabel Kolbenfenster restliche 49 Zylinder werden nur f r den Massenausgleich genutzt Vollst ndig aus Quarz glas gefertigte Laufbuch se Quarzfenster im ne in Brennraumdach und verl ngerter Kolben mit Kolbenfenster Optischer Motor der University of Michigan Ann Arbor 4 Optische Messtechniken Nachdem in Abschnitt 2 4 3 ein kurzer berblick gebr uchlicher optischer Messverfahren f r die Anwendung in optisch zug nglichen Motoren gegeben wurde sollen die im Rahmen die ser Arbeit verwendeten Verfahren in den n chsten Abschnitten genauer behandelt werden 4 1 Flammeneigenleuchten Die Nutzung des Flammeneigenleuchtens zur Beurteilung und Abbildung der Verbrennung stellt ein verh ltnism ig einfach umsetzbares und somit bereits lange genutzte
275. r Kraftstoff verl sst die Pumpe ber einen weiteren Metallsinterfilter der aus der Pumpe stammenden Abrieb der Stopfbuchsenpackung zur ckhalten soll Zur Regelung des Sys temdrucks kommt ein einstellbares berstr mventil zum Einsatz Dieses ist auf 120 bar ein gestellt und f hrt den bersch ssigen Kraftstoff ber die R cklaufleitung in den Tank zur ck Um nach Ausschalten der Kraftstoffanlage oder im Notfall eine schnelle Druckentlastung des Systems vornehmen zu k nnen befindet sich ein Handventil zwischen der Hochdruckleitung und der R cklaufleitung ber das der Kraftstoff in den Tank abgelassen werden kann Um Druckschwankungen durch die diskontinuierliche F rderung der Kolbenpumpe sowie um durch den Einspritzvorgang hervorgerufene Pulsationen zu d mpfen ist ein Druckspeicher kurz vor der Einspritzd se angeordnet Dieser hat ein Fassungsverm gen von 0 5 ist verti 96 5 3 Kraftstoffanlagen kal angeordnet und an seinem oberen Ende mit einem Bel ftungsstutzen versehen Vor dem Start des Kraftstoffsystems wird der Beh lter bel ftet um ihn vollst ndig zu entleeren An schlie end wird er wieder verschlossen so dass mit zunehmendem Systemdruck der Beh l ter gef llt und die enthaltene Luft komprimiert wird Hierdurch kann das Zusammenbrechen des Systemdrucks im R ckhub der Pumpe verhindert und die von der Einspritzung hervorge rufenen Pulsationen in begrenztem Umfang ged mpft werden Soll eine st rkere D mpfung der
276. r auch andere Motor Betriebsverfahren wie das Miller oder Atkin son Verfahren bei denen die Temperatur der Ladung durch Expansion in der Ansaugphase bzw unterschiedliche Hubl ngen beim Verdichten und Expandieren gesenkt und so das Klopfen verhindert wird 16 Zur Verringerung der NO Emissionen hingegen ist eine schnel le Verbrennung bei niedrigen Temperaturen erforderlich was z B durch selbstz ndende Verbrennung magerer Gemische erreicht werden kann Hierzu ist allerdings eine genaue Kontrolle des Selbstz ndzeitpunktes durch Steuerung der Mischungseigenschaften erforder lich Um diese zu erm glichen k nnen z B eine Zwischenkompression im Ladungswech sel OT zur Zur ckhaltung von Abgas und oder mehrfache Einspritzungen zur thermischen und chemischen Konditionierung der Ladung verwendet werden Diese Optionen wurden auch in der vorliegenden Arbeit angewendet und untersucht Insgesamt ergeben sich somit Forderungen nach einer sehr flexiblen Anpassung des Brenn verfahrens an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors um m glichst in allen Betriebspunk ten einen optimalen Wirkungsgrad und geringe Emissionen zu erzielen Hierzu bieten sich durch moderne flexible Ventilsteuerungen Direkteinspritzung und Aufladung zahlreiche M glichkeiten zur Umsetzung verschiedenster Brennverfahren Diese m ssen untersucht und auch in Bezug auf ver nderliche Kraftstoffiqualit ten optimiert werden wozu sich in der Grundlagenentwicklung insbesondere mit den
277. r zwischen den Anschlussst cken geklemmt wodurch sie un abh ngig voneinander entlang ihrer Achse verdreht werden k nnen Hierdurch ist durch Ein bau von querschnittsver ndernden Str mungsleitblechen die Erzeugung eines Einlassdralls m glich Au erdem k nnen die Ansaugrohre leicht ausgetauscht werden so dass der Ein satz eines transparenten Saugrohrs s Abschnitt 5 1 4 und Abbildung 5 12 glatter Edel stahlsaugrohre mit Indizierbohrungen wie in Abbildung 5 29 dargestellt sowie der bereits er w hnten Str mungsleitbleche m glich ist Zur Messung und Regelung des Ansaugluftzustands werden Temperatur statischer An saugdruck und der kurbelwinkelaufgel ste Druckverlauf erfasst Die Messung der Tempera tur erfolgt hierbei mit zwei Thermoelementen am Eintritt des Y bergangsst cks Eines der Thermoelemente liefert die Regelgr e f r die Luftvorw rmung Abschnitt 5 5 5 das zweite dient zur Erfassung der Ansaugtemperatur mit Hilfe des IndiCom Rechners Der statische Saugrohrdruck wird ber einen Schlauchanschluss ebenfalls am Einlass des Y bergangsst cks abgegriffen von einem Druckaufnehmer erfasst und an das Puma System weitergeleitet Die schnelle Druckindizierung erfolgt im zahnriemenseitigen Saugrohr und wird nach der Signalverarbeitung an den IndiCom Rechner bergeben s Ab schnitt 5 2 3 und Abbildung 5 14 5 6 Abgassystem Das Abgassystem des optischen Motors sorgt f r die Abfuhr der Verbrennungsabgase und beinhal
278. rdem sollte untersucht werden ob es im Verlauf der Einspritzung zu einem Kontakt der Z ndkerze mit fl ssigem Kraftstoff kommt und in welchem Bereich des Zyklus bei Einspritzung kleiner Kraftstoffmengen m gliches Minimum 8 2 ul bei Verwendung der A D se s Abschnitt 5 4 1 mit einem Kontakt zwischen Kolbenoberfl che und fl ssigem Kraftstoff zu rechnen ist Diese letztgenannte Untersuchung wurde insbesondere im Hinblick auf die Versuche zum HCCl Betrieb s Abschnitt 6 1 und Abschnitt 6 2 durchgef hrt da hier kleine Einspritzmengen auch in der N he der oberen 153 6 Messungen Totpunkte von Haupt und Zwischenkompression zur Verfahrenssteuerung eingesetzt wer den sollen wobei der Kraftstoff m glichst ohne Kolbenkontakt in die Gasphase berf hrt werden sollte 6 3 2 Experiment Zur Untersuchung des Sprays wurde das Sprayverhalten sowohl mit einem konventionellen UV Objektiv UV Nikkor f 105mm 4 5 durch den Glasring als auch mit Hilfe des Beo bachtungsendoskops 23 untersucht Zur Bildaufnahme kam eine Kamera vom Typ Imager Intense LaVision zum Einsatz Die Einkopplung des von einem Nd YAG Laser des Herstel lers BMI BMI AL 152 C erzeugten Laserstrahls Wellenl nge 355 nm erfolgte in beiden F llen mit Hilfe des im Zylinderkopf montierten kontinuierlichen Lichtschnittendoskops s Abschnitt 6 2 2 Dieser Einbauort wurde gew hlt um m glichst wenige Reflektionen des Lichtschnitts beim Auftreffen auf die Brennraum
279. rden k nnen s Ab schnitt 5 4 2 erfasst und durch Ablassen einer geringen Menge Luft aus dem Druckspeicher zur Ver nderung der Resonanzfrequenz behoben werden 5 4 Injektoren 5 4 1 Hochdruckinjektoren F r die Hochdruck Direkteinspritzung k nnen verschiedene Einspritzd sen verwendet wer den Bei den bisher verwendeten Einspritzd sen handelt es sich um einen Mehrlochinjektor 6 L cher sowie einen Hohlkegelinjektor A D se Beide Injektoren wurden mit einem Ein spritzdruck von 120 bar betrieben der von der Hochdruckeinspritzanlage s Abschnitt 5 3 1 bereitgestellt wird Die Position der Einspritzd se im Brennraum liegt wie in Abbildung 5 5 dargestellt mittig zwischen den Einlassventilen um 6 3 mm versetzt zum Brennraummiittel punkt in Richtung der Einlassventile Die Mittelachse der Einspritzd senbohrung ist parallel zur Zylinderachse ausgerichtet d h es liegt keine Verkippung der Einspritzd senachse ge gen ber dem Zylinder vor Beide D sen weisen an ihrer Spitze einen Durchmesser von 8 mm auf m ssen jedoch aufgrund der ansonsten unterschiedlichen Geometrie mit Hilfe von Adapterringen montiert werden deren Geometrie mit Hilfe von Zeichnungen der Einspritzd sen und der Aufnahmebohrung im Zylinderkopf ermittelt wurde Die Befestigung der Injekto ren erfolgt durch an ihre Geometrie angepasste Niederhalter mit deren Hilfe sie durch zwei M6 Schrauben in der Montagebohrung verspannt werden Die D sen sowie die zugeh
280. rdruck im Zylinderkopf zu minimieren da vermutet werden kann dass der zuvor herrschende hohe Unterdruck zu einer Unterversorgung der Ventilsch fte mit Schmier l durch Absaugung des ls in das Nockenwellengeh use gef hrt hat wodurch es mehrfach zum Fressen an den Ventilsch ften und anschlie endes Klemmen der Ventile kam Sollte der Abfluss ber die vier Abflussbohrungen gest rt werden und es so zu einem lstau im Nockenwellengeh use kommen befindet sich im oberen Geh useteil eine ber laufbohrung zur Abfuhr des ls Diese ist ber einen Druckausgleichsbeh lter mit dem Kur belgeh use verbunden ber den das l wieder in den Kreislauf zur ckgef hrt wird ohne den Kurbelgeh useunterdruck auf das Nockenwellengeh use zu bertragen Der Ventiltrieb des optischen Motors basiert auf dem in Serie gebauten Valvetronic System zweite Generation des Herstellers BMW und ist in seinem prinzipiellen Aufbau am opti schen Motor in Abbildung 5 6 dargestellt Hierdurch ist einlassseitig eine stufenlose Verstel lung des Ventilhubs zwischen 0 0 und 9 7 mm m glich Die Einlassventile besitzen einen Durchmesser von 32 mm und werden ber einen Rollenschlepphebel bet tigt wobei der Ausgleich des Ventilspiels hydraulisch ber das Schlepphebelauflager Funktionsprinzip s z B 3 erfolgt Der Schlepphebel wird durch das Ablaufen der Rolle des Schlepphebels auf der sog Arbeitskurve des Zwischenhebels bet tigt der zum einen von der Nockenwelle
281. regter gt H Zustand 2 T j Fluoreszenz z Quenching la u HE Elektronischer F Grundzustand Anregung Abbildung 4 5 Anregungs und Emissionsvorg nge bei Laserinduzierter Fluoreszenz LIF im Energieniveauschema eines Molek ls 58 4 Optische Messtechniken Die m glichen Energieniveaus sind molek lspezifisch und von dessen chemischem Aufbau abh ngig Daher kann bei Verwendung eines ausreichend schmalbandigen Lasers ein spe zifischer bergang eines bestimmten Molek ls angeregt werden woraufhin sich ein Fluores zenzspektrum mit einzelnen Spektrallinien einstellt In der Praxis ist eine sehr schmalbandige Anregung jedoch schwieriger zu realisieren als eine etwas breitbandigere Anregung z B mit Nd YAG Lasern so dass meist ein kontinuierliches Emissionsspektrum detektiert wird Durch genaue Kenntnis der Fluoreszenzeigenschaften der angeregten Molek le bzw durch Verwendung sehr sauberer Kraftstoffe mit nur einer fluoreszierenden Spezies kann so ne ben dem qualitativen Nachweis des Molek ls im Idealfall auch eine quantitative Messung auf Basis der Fluoreszenzintensit t vorgenommen werden Dieser angeregte Zustand ist im Vergleich zu den virtuellen Anregungszust nden der Streuprozesse relativ stabil so dass das Molek l erst nach einer Zeitspanne von typischerweise 10 bis 10 s in seinen energe tisch g nstigeren Grundzustand zur ckkehrt 58 so dass u U auch zeitlich eine Trennung von Streulichtsig
282. reichs berschreitung erkennbar am flachen Verlauf der Kurven ab 8600 ppm gef hrt hat Daher ist vor der weiteren Auswertung immer ein Vergleich der Indizierdaten mit den Abgasmesswerten notwendig um zeitliche Bereiche oder ganze Messungen auszuschlie en in denen eine Auswertung der Konzentrationsmes sungen keine zuverl ssigen Daten liefern kann 600 000 Einspritzung 320 KW Einspritzung 310 KW Einspritzung 300 KW 500 000 Einspritzung 290 KW Einspritzung 280 KW Einspritzung 270 KW Einspritzung 260 KW Einspritzung 250 KW Einspritzung 400 000 2 300 000 A QO I 200 000 100 000 0 3500 4500 5500 6500 7500 8500 9500 10500 11500 12500 13500 14500 15500 Zeit ms Abbildung 5 33 Integration der Kohlenwasserstoff Signalverl ufe Zur weiteren Auswertung der Messergebnisse erfolgt die Integration bzw das Aufsummieren der Messwerte wie in Abbildung 5 33 f r die Messwerte aus Abbildung 5 32 gezeigt Im Falle von Messungen bei denen bereits in den ersten Zyklen eine stabile Verbrennung bzw stabi le Betriebsbedingungen vorliegen hier f r Einspritzzeitpunkte von 320 bis 280 KW und somit von einer gleichbleibenden Emission von Kohlenwasserstoffen ausgegangen werden kann wird der sich einstellende konstante Endwert der Integration verwendet und durch die Anzahl der gefeuerten Zyklen geteilt um die pro Zyklus emittierte Menge an Kohlenwasser stoffen zu
283. reicht werden kann Der Betrieb des Reglers erfolgt ber die auch f r das Ansaugdruckregelventil verwendete Endstufe und das Labview Regelprogramm Um eine Trennung des Reglers von der Stick stoffleitung und somit das unkontrollierte Austreten von Stickstoff z B bei Motorstillstand zu 106 5 5 Ansaugsystem gew hrleisten ist dem Druckregler ein Magnetventil vorgeschaltet das bei Betrieb des Reg lers ber das Labview Programm freigeschaltet wird Sollte es zum Ausfall des Regelventils oder durch zu pl tzliche nderung der Ansaugmenge zu einem schnellen Aufbau von Unter druck im Ansaugsystem kommen ffnet ein federbelastetes Unterdruckventil s Abbil dung 5 1 und Abbildung 5 26 das Ansaugsystem zur Atmosph re so dass sich durch nach saugen von Luft kein unzul ssig hoher Unterdruck Gefahr der Zerst rung des Beruhigungs beh lters und der Ansaugschl uche aufbauen kann Die Umschaltung der Ansaugleitung sowie der Endstufe zwischen dem Ansaugluftregelventil und dem Stickstoffdruckregler er folgt manuell ber ein Zwei Wege Ventil bzw ein Relais Der gesamte Aufbau des Stick stoffdruckreglers ist in Abbildung 5 25 abgebildet STICKSTOFFEINTRITT gt DROSSELVENTIL N K l 07 l 2 e i Y 4 d x 7 _ i Alk pa e pe a y Ail o DRUCKREGLER AUSGANG ZUM ANSAUGSYSTEM GETRIEBE ra STELLMOTOR ZUFUHR VOM ANSAUGLUFTREGELVENTIL UMSCHALTVENTIL Abbildung 5 25 Stickstoffdruckregl
284. rekter Kontakt von Einspritzstrahl und Kolbenoberfl che durch eine intensive Ladungsbewegung verhindert werden Die starke Ladungsbewegung f hrt zu einer sehr guten Durchmischung von Brennstoff und Luft hat jedoch den Nachteil einer relativ aufw ndigen konstruktiven Gestaltung der Ansaugkan le sowie einer komplizier ten Kolbenform zur Str mungsf hrung und den hiermit verbundenen Verlusten Weiterhin stellt die Aufrechterhaltung der in der Ansaugphase initiierten Ladungsbewegung zur exakten Positionierung der Gemischwolke bis zum Ende der Kompressionsphase hohe Anforderun gen an die Str mungssteuerung insbesondere wenn diese Verfahren ber einen weiten Be triebsbereich angewendet werden sollen Infolge dieser Schwierigkeiten stellen rein luftge f hrte Schichtladeverfahren bis heute eine Seltenheit dar sind jedoch in Mischformen mit wandgef hrten Verfahren recht weit verbreitet 9 Motoren die mit strahlgef hrten Gemischbildungsverfahren betrieben werden zeichnen sich durch eine r umliche N he von Z ndkerze und Einspritzd se aus Die Gemischbildung er folgt in diesem Fall haupts chlich durch aerodynamische Effekte bei der Interaktion von Kraftstoffstrahl und umgebender Luft kann jedoch auch noch zus tzlich durch eine La dungsbewegung unterst tzt werden Da durch diese Art der Gemischaufbereitung hohe Konzentrationsgradienten zwischen Randbereich und Strahlkern auftreten kann die Z n dung nur in einem relativ kleinen r umlic
285. rend des gefeuerten Betriebs zu k hlen um so thermische Sch den an Topring F h rungsring und Hydraulikring zu verhindern Die Pressluft str mt zu diesem Zweck aus f nf Bohrungen an der Oberkante des Spiegelhalters aus und prallt auf die Unterseite des Kol bens wodurch dieser gek hlt wird Um sicherzustellen dass w hrend der Verbrennung die K hlung aktiv ist sind der Endlagenschalter f r die eingefahrene Position des Spiegelhalters das Magnetventil f r die Pressluftzufuhr sowie ein Unterbrechungsrelais f r das Einspritzt und das Z ndsignal so verschaltet dass Einspritzung und Z ndung nur bei eingefahrenem Spiegelhalter und angeschalteter Pressluftzufuhr m glich sind Details zur Verschaltung fin den sich in Kapitel 5 4 Um auch im Ansaugsystem optische Messungen durchf hren zu k nnen ist eines der bei den Saugrohre aus Plexiglas gefertigt s Abbildung 5 12 Hierdurch ist die Messung des Str mungsfeldes im Saugrohr z B mittels PIV s Abschnitt 6 4 3 m glich ZYLINDERKOPF STANDARD SAUGROHR OPTISCHES SAUGROHR aii Abbildung 5 12 Optisch zug ngliches Saugrohr Die Einkopplung des hierzu erforderlichen Lichtschnitts erfolgt zweckm igerweise mittels des auch f r die endoskopischen Messungen verwendeten Strahlf hrungsarms und der Lichtschnittoptik Details s Abschnitt 6 2 2 von der Unterseite des Saugrohrs aus da nur von dieser Seite ausreichend Platz zur Verf gung steht Die Auskopplung erfolgt dann Rec
286. rer zu verdampfen den Dieselkraftstoffs zu erm glichen Da jedoch Dieselkraftstoff aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung leichter zur Selbstz ndung neigt als Ottokraftstoff wird in vielen F llen die Einspritzung erst in der Kompressionsphase vorgenommen Das Kompressionsverh ltnis n hert sich bei beiden Motorenvarianten einander an da es bei Ottomotor basierten Verfah ren angehoben werden muss um die Kompressionstemperaturen zur Einleitung der Selbst z ndung zu erh hen wohingegen es bei den Dieselmotor basierten Verfahren reduziert werden muss um ein fr hzeitiges Umsetzen des Dieselkraftstoffs zu vermeiden 14 Da Merkmale und Verfahrensstrategien beider Basisverfahren in sehr vielen F llen gemischt werden ist eine genaue Unterscheidung zwischen CAI und HCCI u erst schwierig Im fol genden wird zur Vereinfachung nur noch die Bezeichnung HCCI f r Betriebszust nde ver wendet bei denen eine Selbstz ndung des Kraftstoffs angestrebt wurde Durch homogene Selbstz ndung k nnen sehr magere Gemische weit au erhalb der bli chen Z ndgrenzen verbrannt werden Vorteilhaft hierbei ist dass durch die hohe Abmage rung des Gemisches der Energieumsatz weitr umig verteilt und bei relativ geringen Tempe raturen abl uft wodurch insbesondere die Bildung von thermischem NOx Bildung bevorzugt ab 2000 K stark verringert wird und auch die Bildung von Ru aufgrund der homogenen Verbrennung weitgehend ausgeschlossen werden kann Des We
287. rfahrens auf einen m glichst weiten Bereich des Kennfeldes ein hohes Potential zur Reduzierung von NO sowie zur Wirkungsgradsteigerung birgt und daher in der aktuellen Forschung einen hohen Stellenwert einnimmt Die Realisierung eines solchen Betriebspunktes am optischen Motor erforderte zahlreiche Vorversuche und nderungen am Pr fstandsaufbau Ein Grund hierf r liegt im recht geringen Verdichtungsverh ltnis von 10 1 wodurch sich nur verh ltnis m ig geringe Temperaturen bis zum Ende der Kompressionsphase ergeben Dadurch ist 173 7 Zusammenfassung die Selbstz ndung erschwert Daher ist f r den HCCl Betrieb eine Zwischenkompression d h die Anwendung interner Abgasr ckf hrung zur Erh hung der Kompressionsendtempera tur zwingend erforderlich Des Weiteren stellte sich insbesondere das Anfahren des HCCI Betriebs als heikel heraus da bei noch nicht durchw rmtem Motor trotz Z ndfunkenunter st tzung h ufig Z ndaussetzer auftreten so dass in Kombination mit der genannten Zwi schenkompression gro e Mengen unverbrannten Kraftstoffs in den nachfolgenden Zyklus verschleppt und zusammen mit dem zus tzlich in diesem Zyklus eingebrachten Kraftstoff zu Verbrennungen mit extremen Druckgradienten und Druckspitzen f hren k nnen die sich insbesondere bei Verwendung von Glasbauteilen fatal auswirken k nnen Daher konnten bis zum Abschluss dieser Arbeit keine HCCI Experimente unter Verwendung des Glasrings und des Kolbenglases durchgef
288. rforschung der Brennverfahren gilt 2 9 3 Hybridisierung Eine in den letzten Jahren immer st rker in den Fokus der Entwicklung gestellte M glichkeit der Kraftstoffeinsparung bzw Emissionsminderung besteht in der sog Hybridisierung Hier bei wird ein Elektroantrieb mit einem zweiten Antrieb gekoppelt In den meisten F llen wird 30 2 3 Generelle Entwicklungstrends zuk nftiger Motorenkonzepte hierzu ein Verbrennungsmotor verwendet aber auch Brennstoffzellen Stirlingmotoren oder sogar Gasturbinen k nnen zum Einsatz kommen 3 Ziel dieser Entwicklung ist eine Ver brauchsoptimierung unter Beibehaltung oder sogar Verbesserung der Fahreigenschaften Dies soll durch den Betrieb der kombinierten Antriebssysteme in den f r sie jeweils optima len Betriebsbereichen erfolgen So wird beim Verbrennungsmotor ein Betrieb m glichst nahe am Bestpunkt angestrebt und beim Elektromotor das hohe Drehmomentpotential bei niedri gen Drehzahlen sowie der gute Wirkungsgrad ausgenutzt Durch diese Kombination wird angestrebt die Nachteile der verschiedenen Antriebe durch den jeweils anderen Antrieb so gut wie m glich zu kompensieren Im Falle des Verbrennungsmotors kann somit z B beim Anfahren das bei niedrigen Drehzahlen noch geringe Drehmoment durch den Elektromotor erg nzt werden oder es k nnen durch rein elektrischen Betrieb ung nstige Betriebszust n de vermieden werden wie sie insbesondere bei Stadtfahrten auftreten Somit kann eine ver brauchs
289. rgenommen werden Insgesamt ist der Motor in seinem aktuellen technischen Zustand bereit f r weitere zum Teil bereits begonnene Untersuchungen und steht somit f r zuk nftige Forschungs und Entwicklungsarbeiten zur Verf gung 177 Literaturverzeichnis 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Bundesministerium f r Verkehr Bau und Stadtentwicklung Verkehr in Zahlen 2011 2012 2012 Statistisches Bundesamt Bev lkerung und Erwerbst tigkeit Vorl ufige Ergebnisse der Bev lkerungsfortschreibung auf Grundlage des Zensus 2011 2013 R Van Basshuysen F Sch fer Handbuch Verbrennungsmotor 4 Auflage Vieweg Teubner Wiesbaden 2007 G P Merker C Schwarz Grundlagen Verbrennungsmotoren Simulation der Gemischbildung Verbrennung Schadstoffbildung und Aufladung 4 Auflage Vieweg Teubner Wiesbaden 2009 R Golloch Downsizing bei Verbrennungsmotoren 1 Auflage Springer Berlin Heidelberg New York 2005 C Schulz B Tribalet C Meffert D Bensing Praktikum Verbrennungsmotoren Praktikumsumdruck Universit t Duisburg Essen 2010 H D Baehr S Kabelac Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen 13 Auflage Springer Berlin Heidelberg New York 2006 H Eichsleder M Kl ting W F Piock Grundlagen und Technologien des Ottomotors 1 Auflage Springer Wien New York 2008 R v Basshuysen Ottomotor mit Direkteinspritzung 1 Auflage Friedr Vieweg amp Sohn Wiesbaden 2007
290. rgestellt ist C gt CH und OH emittieren hierbei relativ schmalbandig wohingegen die Emission von CO aufgrund seines dreiatomigen Aufbaus und der hiermit verbundenen hohen Anzahl elektronischer Zust nde breitbandig ist und vom UV bis in den sichtbaren Bereich reicht so dass ihr keine der Peaks in Abbildung 4 2 zuge wiesen werden k nnen 58 Die Emission von CO ist zusammen mit der vornehmlich in den sog Swan Banden auftretenden C gt Emissionen f r die bl uliche F rbung der Flammen verantwortlich Aufgrund ihrer relativ hohen Intensit t Selektivit t und dem bevorzugten Auf treten in der Flammenfront sind besonders CH 387 nm und 431 nm und OH haupts ch lich 308 nm f r Untersuchungen der Verbrennung mittels Chemilumineszenz von Interesse 28 29 Da die CH und OH Emission haupts chlich in der Flammenzone stattfindet kann durch Einsatz geeigneter Bandpassfilter die Position und Ausbreitung der Flammenfront be stimmt werden wobei allerdings zu ber cksichtigen ist dass auch die Flammenfront au er halb der Sch rfeebene zum Signal beitr gt und somit die Messung beeintr chtigen kann 61 4 Optische Messtechniken Sf E l OH berg nge a i Z D 4 U k AN CH Uberg nge 2 li ge C berg nge ab W OIF d Mr AA a NA N L P i 0 N 300 350 400 450 500 Wellenl nge nm Abbildung 4 2 Emissionsspektrum einer Methan Luft Flamme 29 In Flammen in denen lokaler
291. rigen Niederhalter und Adapterringe sind in Abbildung 5 20 dargestellt Bei der Mehrlochd se handelt es sich um einen Magnetinjektor dessen Ansteuerung ber eine an die charakteristischen elektromagnetischen Eigenschaften dieses Injektors ange passte Endstufe erfolgt Zur Ansteuerung wird ein inverses TTL Signal High Pegel D se geschlossen Low Pegel D se ge ffnet von der ETU ausgesendet welches der Endstufe den Anfang und das Ende der Einspritzsequenz signalisiert Die Einspritzsequenz gliedert 99 5 Versuchsanlage sich hierbei in vier Phasen die Vormagnetisierung die Boosterphase die Anzugsphase so wie die Haltephase Die Vormagnetisierung wird mit fallender Flanke des Ansteuersignals gestartet und dient zum Aufbau des Magnetfeldes wodurch das ffnen in der darauffolgen den Boosterphase beschleunigt wird Zur ffnung des Injektors wird in der Boosterphase ein in der Endstufe untergebrachter Kondensator ber die Spule des Injektors entladen und so die D sennadel beschleunigt In der Anzugsphase wird der endg ltige Nadelhub erreicht und die Nadelposition stabilisiert Als letzte Phase folgt die Haltephase in der die Nadel offen gehalten wird bis durch die steigende Flanke des Ansteuersignals von der Endstufe der Stromfluss durch die Spule unterbrochen und das Ventil somit geschlossen wird Eine Ge gen berstellung des Ansteuersignals des Betriebsstroms sowie der Einspritzmenge findet sich in Anhang D Details zur verwendete
292. ritzung der Spraykegel zun chst von der Einspritzd se w hrend das Spray weiter in den Brennraum vordringt und zunehmend verdampft Dieser Umstand wird durch die abnehmende Signalintensit t und Querschnittsfl che der Sprayspitzen sowie durch das Verschwinden des Signals der Innen und Au enfl chen deutlich 1 8 und 2 4 KW Am Ende der Messung ist nur noch ein schwa ches Signal der Sprayspitze zu erkennen bis auch dieses verschwindet 156 6 3 Einspritzuntersuchungen u 0 6 KW nach EB 1 2 KW nach EB 1 8 KW nach EB 2 4 KW nach EB JAN r 68 4 KW 2 3 bar 67 2 KW 2 3 bar pomm 66 6 KW 2 3 bar on 29 4 KW 7 2 bar 28 8 KW 7 2 bar 28 2 KW 7 2bar Komm 27 6 Kw 7 2bar pm 2 4 KW 15 4 bar 1 8 KW 15 4 bar 1 2 KW 15 4 bar Hemm o6 Kkw 15 4 bar Fer 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 21 Ergebnisse der Streulichtmessungen durch den Glasring Durch Vergleich der F lle A bis C ist in Abbildung 6 21 deutlich erkennbar dass die Eindring tiefe zu gleichen Zeitpunkten nach Einspritzbeginn mit zunehmender Gasdichte abnimmt Auch die Geschwindigkeit der Ausbreitung nimmt deutlich ab wohingegen die sinkende Sig nalintensit t der Messungen bei 1 8 und 2 4 KW nach EB auf die zunehmende Verdamp fungsgeschwindigkeit der Kraftstofftropfen durch die bei h heren Dr cken gesteigerte Tem peratur zur ckzuf hren ist In allen F llen wird deutlich dass der Ausbreitungspfad de
293. rn Die Druckindizierung erfolgt mit Hilfe eines Umschaltk hladapters s Abschnitt 5 2 3 der etwa 120 mm vom Zylinder kopf entfernt gemessen ab Abgasflansch in der Abgasleitung montiert ist Zur Entnahme von Abgasproben ist ein Anschlussflansch vorhanden an dem sowohl ein schnelles Gasent nahmeventil angeschlossen werden als auch eine kontinuierliche Probenentnahme erfolgen kann Zur A Messung wird eine Breitband Lambdasonde verwendet 5 6 2 Messung Die A Messung erfolgt mit Hilfe einer Breitband Lambdasonde vom Typ Bosch LSU 4 9 Die Ansteuerung sowie das Auslesen der Sonde geschieht mit Hilfe eines Lambdameters ETAS Lambda Meter LA4 Dieses erlaubt eine Anpassung der Ansteuerung entsprechend dem verwendeten Sondentyp Korrekturfunktionen f r das Auslesen des Messwerts und die Ein stellung des zur Umrechnung erforderlichen H C Verh ltnisses des verwendeten Kraftstoffes Verh ltnis der Anzahl von Kohlenstoff und Wasserstoffatomen im Kraftstoff Das Messer 115 5 Versuchsanlage gebnis wird in Form eines Analogsignals 0 0 8 2 V A 0 7 32 8 ausgegeben und mit Hilfe des IndiCom Rechners erfasst Unter Zuhilfenahme der Ansaugluftmasse und dem aus der chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffs bekanntem st chiometrischem Luftbedarf kann aus dem A Messwert die Menge des zugef hrten Kraftstoffs berechnet und mit Hilfe der Drehzahl bzw der Anzahl der Einspritzungen die Einspritzmenge pro Zyklus bestimmt werden Hierbei er
294. rofil ver ndert werden F r alle im Rahmen dieser Arbeit durchgef hrten Ein spritzmessungen kam der ffnungs Stromverlauf RECT 100 Herstellerbezeichnung zum Einsatz der eine ffnungs und Schlie Rampe von jeweils 100 us erzeugt Da die Kapazit t der Einspritzd se 7 uF und der Ladestrom 8 4 A betr gt die Spannung an der D se liegt nach der Aufladung bei 120 V ergibt sich hierbei eine aufgepr gte Ladung von 0 84 mC Details zur Piezo Endstufe finden sich in der Betriebsanleitung 82 Der mit Hilfe dieser Parametrierung vermessene Zusammenhang zwischen Ansteuerdauer und Einspritzvolumen ist ebenfalls in Abbildung 5 21 dargestellt Wie bereits beim Mehrlochinjektor l sst sich auch hier deutlich der Zusammenhang zwischen Betriebsstromverlauf der D se und eingespritzter Kraftstoffmenge herstellen s Anhang D Auch hier zeigt sich die bereits bekannte Begren zung auf etwa 80 ul ES allerdings bereits bei einer Ansteuerdauer von ca 1 6 ms da der Durchsatz der A D se station r mehr als doppelt so hoch ist wie beim Mehrlochinjektor 90 A D se Mehrlochd se Einspritzvolumen uI ES 0 0 0 6 1 2 1 8 2 4 3 0 3 6 4 2 Ansteuerdauer ms Abbildung 5 21 Abh ngigkeit des Einspritzvolumens von der Ansteuerdauer f r Mehrlochin jektor und A D se bei 2000 min Die in Abbildung 5 21 dargestellten Einspritzverl ufe wurden von der gemessenen Ein spritzmasse auf das Einspritzvolumen umgerechnet um die
295. ropfendurchmesser ermittelt werden Aufheizung von Partikeln mittels Laserstrahlung LI und Erfassung der w hrend der Abk hlung emit Ru verteilung und Laserinduzierte tierten Strahlung Ermittlung der Partikelgr en Partikelgr en Inkandeszenz verteilung durch Vergleich mit simuliertem zeitli verteilung chem Signalverlauf Thermisches Erfassung der thermischen Strahlung von w h Ru entstehung und Ru leuchten rend der Verbrennung gebildetem Ru Abbrand Erfassung der Flammeneigenstrahlung Durch wellenl ngenabh ngige Erfassung k nnen Auf enthaltsorte verschiedener Spezies ermittelt wer den Verbrennungs Fortschritt Position der Flammenfront Chemilumineszenz Durchstrahlung einer Gasmischung mit Licht und Messung der wellenl ngenabh ngigen Abschw Lichtabsorption chung Ermittlung von Konzentration und Tempe ratur durch bekannte Temperatur und Konzentra tionsabh ngigkeit der Absorption Spezieskonzentration Temperatur Blau unterlegt Im Rahmen der vorliegenden Arbeit angewendete Messverfahren 43 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren Wie aus Tabelle 2 3 hervorgeht beruhen einige Messmethoden auf dem Eigenleuchten der Flamme Chemilumineszenz bzw des bei der Verbrennung entstehenden Ru es Inkan deszenz Die in der Flamme gebildeten OH und CH Radikale sowie CO und CO emittieren abh ngig von der Temperatur unterschiedlich stark Licht W hrend der Verbrennung entste hen z B
296. rosselklappe u s0sssnene en 200 ANNaNGIF aussen Be Beni Risse 204 Motorparameter zur Genauigkeitsabsch tzung der A Messung u022400242022ne 220 204 Kalibrierung der A SONGE are 205 ANDINO ea E ee 207 Beleuchtete Einstellvorrichtung f r endoskopische Messungen s sensennennennennrrnrrnennns 207 yi vii Nomenklatur Abk rzungen Abk rzung AGR BTL CAI CFD CLD CNG CO CO CRFD CTL DEHS DICU EB ETBE ETU FAME FDM FEM FID FVM GTL HC HCCI IFKM IVG KFZ LDA LIF LII LNG LOT LPG MTBE NDIR NDUV NO OT PDA PIV PMD Bedeutung Abgasr ckf hrung Abgasr ckf hrrate Biomass to Liquid Controlled Auto Ignition Computational Fluid Dynamics Chemilumineszenzdetektor Compressed Natural Gas Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffdioxid Computational Reaction Fluid Dynamics Coal to Liquid Diethylhexylsebakat Direct Injection Control Unit Einspritzbeginn Ethyl tert Butylether Engine Timing Unit Fatty Acid Methyl Ester Finite Differenzen Methode Finite Element Methode Flammenionisationsdetektor Finite Volumen Methode Gas to Liquid Kohlenwasserstoffe Homogeneous Charge Compression Ignition Institut f r Kolbenmaschinen Karlsruher Institut f r Technologie Institut f r Verbrennung und Gasdynamik Universit t Duisburg Essen Kraftfahrzeug Laser Doppler Anemometrie Laserinduzierte Fluoreszenz Laserinduzierte Inkandeszenz Liquefied Natural Gas Ladungswe
297. rosselklappe Quantit tsregelung Im Teillastbetrieb entstehen durch die teilweise ge schlossene Drosselklappe somit erhebliche Drosselverluste mit entsprechend negativen Fol gen f r den Wirkungsgrad des Motors Da der Motor beim Einsatz im Kraftfahrzeug in den meisten F llen nur zu einem relativ geringen Anteil in Volllast entdrosselt betrieben wird ergibt sich durch die Verringerung der Drosselverluste ein hohes Einsparpotential Neben der Abschaltung einzelner Zylinder s Abschnitt 2 3 1 besteht ein Weg dieses Ziel zu erreichen in der Anwendung der Benzindirekteinspritzung Hierbei kann zwischen zwei Be triebsarten unterschieden werden 9 Zum einen kann ein Motor mit Direkteinspritzung im oberen Lastbereich unter Ausnutzung des gesamten Zylindervolumens mit homogener Ge mischzusammensetzung betrieben werden zum anderen bei Teillast mit geschichteter La dung Im Homogenbetrieb wird der Kraftstoff w hrend der Ansaugphase eingespritzt Durch die in diesem Zeitraum herrschende hohe Str mungsgeschwindigkeit und Turbulenz erfolgt eine weitestgehend homogene Durchmischung von Kraftstoff und Luft Da der Kraftstoff im We sentlichen adiabat verdampft und so der Mischung W rme entzieht steigt durch die Direkt einspritzung der Liefergrad im Vergleich zum klassischen Saugmotor bei dem der Kraftstoff in vielen F llen auf das Einlassventil gespritzt wird Hierdurch kann die Leistung gesteigert und zugleich die Klopfneigung verringert wer
298. rsetzt werden Um das Gewicht der Kolbenkrone zu verringern sind am Umfang 39 Bohrungen eingebracht durch die Material eingespart wird Die Befestigung der Kolbenkrone am Kolben erfolgt mit einer Spannmutter die in die Kolbenkrone eingeschraubt wird und sich an einem Absatz im Kolben abst tzt Um den exakten Abstand zwischen Kol benoberkante und Brennraumdach einzustellen sowie um das Kompressionsverh ltnis zu beeinflussen k nnen Abstandsscheiben unterschiedlicher Dicke zwischen Kolbenkrone und Kolben eingesetzt werden Die F hrung und Abdichtung des Kolbens im oberen optischen Bereich geschieht mit Hil fe des Top und des F hrungsrings sowie des sog Hydraulikrings Bei Top und F hrungs ring handelt es sich um schr g geschlitzte Ringe mit rechteckigem Querschnitt hergestellt aus kunststoffgebundenem Graphit Der Topring dient hierbei zur Erh hung des Schlepp drucks und der F hrungsring zur F hrung des Kolbens in der Laufbuchse 69 Beide Ringe k nnen bei stehendem Motor und abgesenktem Zylinderring leicht gewechselt werden Der nachfolgende Hydraulikring sorgt f r die eigentliche Abdichtung des Brennraums Er besteht aus Teflon mit einem hohen Bronzeanteil das normalerweise haupts chlich im Bereich der Abdichtung von Hydraulikkolben angewendet wird Um einen konstanten Anpressdruck die 79 5 Versuchsanlage ses Rings im Betrieb zu gew hrleisten Kompensation der schlechten Federeigenschaften des Bronze Teflon M
299. rt zur Abgasmessanlage werden beheizte Schl uche verwendet um das Auskondensieren von Wasser sowie Kohlenwasser 39 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren stoffen und eine damit verbundene Verf lschung der Messergebnisse zu vermeiden Da ins besondere die CO und CO Messger te eine Querempfindlichkeit gegen ber Wasserdampf besitzen wird das Abgas vor der Analyse noch getrocknet 3 Soll eine genauere Analyse der Kohlenwasserstoffe erfolgen so kann entweder ein Gaschromatograph oder ein Mas senspektrometer anstelle des FID zum Einsatz kommen 24 Tabelle 2 2 Analysemethoden f r Motorabgasmessungen Gaskomponente Detektor Messprinzip Abk rzung Ron En mon Nicht dispersiver Infrarot Detektor NDIR CO Kohlendioxid NO Stickoxide Chemilumineszenzdetektor CLD Ultraviolett Resonanzabsorptionsdetektor NDUV HC Kohlenwasserstoffe Flammenionisationsdetektor O Sauerstoff Paramagnetischer Detektor Im Gegensatz zur Probenentnahme aus dem Abgas gestaltet sich eine Probenentnahme aus dem Brennraum wesentlich schwieriger Zum einen ist das Platzangebot im Brennraum sehr beschr nkt da praktisch nur die Bereiche des Brennraumdachs zwischen den Ventilen der Einspritzd se und ggf der Z ndkerze zur Verf gung stehen und zum anderen die Probenzu sammensetzung sehr stark vom Ort der Probenahme abh ngt da die Gemischzusammen setzung in der Regel sehr innomogen ist Zur Probenentnahme kommen in den meisten F l le
300. s Sprays sehr nah an der Z ndkerze vorbeif hrt so dass zumindest eine teilweise Benetzung der Elektroden nicht ausgeschlossen werden kann auch wenn die durchgef hrten Messun gen keine eindeutigen Hinweise hierf r liefern da Signal in unmittelbarer N he der Z nd elektroden aufgrund von Reflektionen des Lichtschnitts an der Z ndkerze nicht eindeutig zugeordnet werden kann Ebenso kann im Fall C aufgrund des geringen Abstands zwischen sichtbarem Spray und Kolbenoberfl che davon ausgegangen werden dass es zur Benet zung des Kolbens mit fl ssigem Kraftstoff kommt Das f r die Messungen ber den Glasring beschriebene Verhalten konnte auch bei den in Abbildung 6 22 dargestellten endoskopischen Messungen beobachtet werden Die Untersu chung des Fall C war hierbei jedoch nicht m glich da die Zugangsbohrung im Endoskopring in der N he des oberen Totpunkts vom Kolben verdeckt wird Die Nachbearbeitung der Bil 157 6 Messungen der erfolgte wie bei den Aufnahmen durch den Glasring mit einer Hintergrundkorrektur Zu s tzlich wurden die Bilder mit Hilfe eines vor den Messungen aufgenommenen Kreuzrasters entzerrt Details s weiter unten 5 0 6 KW nach EB 1 2 KW nach EB 1 8 KW nach EB 2 4 KW nach EB 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Signalintensit t Abbildung 6 22 Ergebnisse der Streulichtmessungen durch das Endoskop Zur Gewinnung vergleichbarer Daten der Einspritzmessungen f r die Glasringmessungen und die endos
301. s Pumpensystems in Betracht Diese liegt wesentlich ber der ben tigten Kraftstoffmenge und f hrt durch die Drosselung des nicht ben tigten Kraftstoffstromes im Druckbegrenzungsventil zu einer starken Erw rmung des Kraftstoffes Diese konnte zwar durch einen nachgeschalteten Kraftstoffk hler kompensiert werden aller dings kann vermutet werden dass durch die lokale Temperaturerh hung an der Drosselstel le bei gleichzeitigem Kontakt mit metallischen Oberfl chen katalytische Wirkung und evtl im Kraftstoff enthaltenem Sauerstoff eine teilweise Ver nderung der Kraftstoffmolek le 93 5 Versuchsanlage Fouling 79 stattfindet Zwar konnte durch gezielte Zumischung von Schmier l zu reinem Kraftstoff gezeigt werden dass selbst geringste lmengen Zumischung von 0 1 Schmier l zu Iso Oktan und PRF70 zu erheblicher Fluoreszenz bei allen untersuchten Anregungs wellenl ngen f hren s Anhang CAnhang jedoch unterscheiden sich die gemessenen Spektren von denen der Proben aus dem Kraftstoffsystem so dass aufgrund der Vielzahl gleichzeitig auftretender potentieller Verunreinigungsquellen keine eindeutige Ursache fest gestellt werden konnte 1 600 000 1 400 000 PRF 70 frisch gemischt Referenz 1 200 000 PRF70 1 h Umlauf in konventioneller Hochdruckanlage PRF 70 1 h Umlauf in hochreiner Hochdruckanlage 1 000 000 800 000 600 000 Fluoreszenzintensit t counts 400 000 200 000 NAT 280 320 360
302. s Verfahren dar Bei diesem passiven Verfahren wird die Eigenstrahlung der Flamme genutzt ohne dass eine zus tzliche Beleuchtung oder Anregung von N ten ist Die Emission der Flamme stammt sowohl von angeregten Radikalen und Verbrennungsprodukten Chemilumineszenz als auch von evtl vorhandenem Ru Inkandeszenz Radikale und Verbrennungsprodukte zeigen hierbei ein Emissionsspektrum mit einzelnen spektral aufl sbaren Emissionslinien die sowohl einzeln als auch gruppiert in Banden auftre ten k nnen wohingegen thermisch angeregter Ru ein kontinuierliches Spektrum emittiert Abbildung 4 1 zeigt eine Zusammenstellung der Emissionsspektren einiger bei der Verbren nung von Kohlenwasserstoffen typischerweise auftretender Spezies Hierbei zeigen ange regte Atome und kleine Molek le in der Regel einzelne Emissionslinien wohingegen bei gr eren Molek len die Emissionslinien zunehmend in dichteren Banden gruppiert sind 23 Die Chemilumineszenz wird hierbei durch elektronisch angeregte Atome und Molek le D hervorgerufen wie sie bei der Verbrennung gem der folgenden verallgemeinerten Reakti on entstehen 30 A B gt C D 4 1 Diese chemisch angeregten Spezies sind nicht stabil und k nnen durch spontane Emission in vielen F llen innerhalb k rzester Zeit in einen energetisch stabileren Zustand zur ckfallen wobei die freiwerdende Energie in Form von Licht emittiert werden kann D gt D hv 4 2 Hierbei muss die Ener
303. s Verhalten nicht zu be obachten da dieses zum gr ten Teil noch w hrend der Expansionsphase und im Abgas mit bersch ssigem Sauerstoff zu Kohlendioxid nachoxidiert wird Neben diesen Effekten f hrt auch die abnehmende Temperatur in der Grenzschicht zwischen Zylinderf llung und Brenn raumwand zu einer Verringerung der Brenngeschwindigkeit und somit ab einer gewissen Distanz zur Brennraumwand zum Erl schen der Flamme Kraftstoff der sich in dieser Grenzschicht befindet kann nicht oxidiert werden und tr gt so zu den HC Emissionen bei Genauso verh lt es sich mit Gemisch das sich in kalten Spalten des Brennraums z B Feuersteg zwischen Kolben und Laufbuchse Ventilsitze Zylinderkopfdichtung etc befin det und erst nach der Verbrennung bei der Expansion wieder austritt 5 8 Schadstoff Mengenanteil 0 8 1 0 12 1 4 Luftverh ltnis Abbildung 2 5 Schadstoffemissionen beim Ottomotor in Abh ngigkeit vom Luftverh ltnis 5 Die Entstehung von Stickoxiden NO ist bei Ottomotoren im Wesentlichen von der Tempe ratur und zu einem geringeren Anteil von der Brennstoffkonzentration abh ngig Da die Ver brennungstemperatur beim Ottomotor im Bereich von etwa A 1 1 ihr Maximum erreicht ist das in Abbildung 2 5 erkennbare Maximum der Stickoxidkonzentration haupts chlich auf die 12 2 2 Spezielle Anforderungen einzelner Brennverfahren hohen Verbrennungstemperaturen zur ckzuf hren Hierbei wird NO gem dem in den
304. s bzw der Anforderungen des Kraftfahrzeugs lassen sich Verringerungen des Kraftstoffverbrauchs von ber 10 realisieren 9 Die Auswirkungen der einzelnen Ma nahmen sollen im Folgenden genauer erl utert werden Tabelle 2 1 Technische Ma nahmen beim Downsizing und ihre Auswirkungen 5 Ma nahme Nutzen Effekt Verringerung des Hubraumes Verringerung der Reibungsverluste Verringerung der Zylinderanzahl Verringerung der Ladungswechselarbeit Erh hung des Verdichtungsverh ltnisses H herer Wirkungsgrad und Mitteldruck Drehzahlabsenkung Verringerung der Reibungsverluste geringere Ladungswechselverluste H herer Mitteldruck geringere Ladungswechselverluste Aufladung Verringerte Klopfneigung Direkteinspritzung ng pineigung bessere Verbrennungssteuerung Eine Verringerung des Hubraumes kann prinzipiell auf verschiedenen Wegen erfolgen Der erste Weg besteht in der Verkleinerung des Gesamthubvolumens durch Verringerung des Hubvolumens der einzelnen Zylinder bei gleichbleibender Zylinderzahl oder der Verringe rung der Zylinderanzahl bei gleichem Hubvolumen pro Zylinder Vorteilhaft an einer Verklei nerung des Zylinderhubvolumens sind die verringerte Ladungswechselarbeit und bei kon stanter Zylinderanzahl das unver nderte Lauf und Schwingungsverhalten des Motors Von Nachteil sind die mit sinkendem Brennraumvolumen aufgrund des ung nstigeren Volumen zu Oberfl chenverh ltnisses zunehmenden Wandw rmeverluste
305. sche Ver nderungen die Redu zierung der mechanischen Reibung sowie die Festigkeitssteigerungen der Komponenten eine wichtige Rolle wobei gleichzeitig das Gewicht des Motors bzw der Komponenten ver ringert werden soll 100 Kraftstoffenergie 100 Schleppleistung Nutzleistung Kurbelwelle 28 5 11 0 Kolbenringe 9 0 Kolben 7 5 Pleuel 7 0 Gaswechsel und Hilfsaggregate 65 5 Thermische Verluste 61 7 Abbildung 2 10 Aufteilung des Wirkungsgrades f r einen Viertakt Ottomotor nach 3 Wie aus der in Abbildung 2 10 dargestellten Wirkungsgradaufteilung f r einen Ottomotor hervorgeht stellen die mechanischen Verluste zwar den im Vergleich zu den thermischen Verlusten geringeren Anteil dar bieten jedoch insbesondere im Bereich des Ventiltriebs und der Hilfsaggregate ein hohes Einsparpotential Dies wurde bereits im vorhergehenden Kapi tel deutlich da eine der beim Downsizing verfolgten Strategien auf die Reduzierung der La dungswechselverluste durch Entdrosselung zur ckgreift Hierbei spielen besonders mecha nisch ver nderte Ventiltriebe eine entscheidende Rolle da erst mit ihnen vollvariable Ventil triebe zur Ver nderung der Steuerzeiten und Ventilh be m glich werden wie sie f r die Um setzung moderner Brennverfahren n tig sind Diese sollen im Folgenden etwas genauer be schrieben werden da der Versuchsmotor einlassseitig mit einem System zur variablen Ven tilhubeinstellung ausger stet Valvetronic
306. sgleichssystem Das Kurbelwellengeh use ist aus Sph roguss hergestellt und dient als Tr ger f r die brigen Komponenten Die Kurbelwelle ist in zwei Hauptlagern in der R ckwand des Kurbelgeh uses sowie im Lagerschild gleitgelagert und ber zwei Deckel in den Seiten des Kurbelgeh uses zur Montage des Pleuels zug nglich Der Lagerschild befindet sich auf der Antriebs Abtriebsseite und nimmt das Festlager der Kurbelwelle auf Das Schwungrad ist ebenfalls auf dieser Seite direkt an die Kurbelwelle angeflanscht und bildet wiederum die Befestigung f r die Kardanwelle zur Anbindung des Motors an den Kom paktpr fstand Auf der Loslagerseite sind zwei Zahnriemenr der montiert die zum Antrieb der Nockenwellen und des Massenausgleichs dienen Der Massenausgleich sorgt f r den Ausgleich der Massenkr fte erster Ordnung und besteht aus zwei gegenl ufigen Aus gleichswellen die im Ausgleichsgeh use unterhalb des Nockenwellengeh uses unterge bracht sind Die Wellen sind mit auswechselbaren Ausgleichsgewichten versehen um An passungen an unterschiedliche Kolbengewichte vornehmen zu k nnen Kurbelgeh use und Ausgleichswellengeh use sind miteinander verbunden so dass das l aus dem Kurbelgeh use zun chst in das Ausgleichswellengeh use gelangt und zusammen mit dem dort austretenden l abgesaugt wird Da der optisch zug ngliche Bereich des Mo tors m glichst frei von l gehalten werden soll wird die Luft aus dem Kurbelgeh use zu sammen m
307. sorption von Luftfeuchtigkeit hervorgerufenen Messungenauigkeit vor bzw hinter der eigentlichen Messstrecke mit Stickstoff oder ggf anderen Gasen gesp lt werden 75 Ein weiterer gro fl chiger optischer Zugang ist durch den bereits in Abschnitt 5 1 3 be schriebenen verl ngerten Kolben m glich Durch das Kolbenglas ist ein Bereich des Brenn raums mit einem Durchmesser von 57 5mm f r optische Untersuchungen zug nglich Dieser Zugang kann sowohl zur Anregung als auch zur Detektion verwendet werden wobei stets zu beachten ist dass Saphir im relevanten Wellenl ngenbereich eine geringere Transmissi on als Quarz aufweist 72 73 und die Leistungsdichte von UV Lasern niedriger als bei Quarz gew hlt werden muss da es sonst durch Bildung von Farbzentren zu einer starken 83 5 Versuchsanlage Verringerung der Transmissivit t kommt Auch bei diesem Zugang kann das Saphirfenster durch einen Stahldummy mit hnlichen thermischen Eigenschaften ersetzt werden um kriti sche Betriebszust nde ohne die Gefahr eines Glasbruchs vorab testen zu k nnen Die Einkopplung von Lichtschnitten bzw die Auskopplung von Signalen durch das Kolben fenster kann nur mit Hilfe eines Umlenkspiegels erfolgen da das Platzangebot im hohlen Kolben begrenzt ist Zu diesem Zweck werden 45 Umlenkspiegel verwendet die auf dem in Abbildung 5 11 dargestellten Spiegelhalter durch eine mit dem Spiegel verklebte Tr gerplatte befestigt werden k nnen Zur Signald
308. st ndige und schadstoffarme Verbrennung erfolgt ohne dass Betriebsverhalten zu verschlechtern Hierbei k nnen technische Verbesserungen wie z B die Direkteinspritzung die bereits seit l ngerem zur Verbesserung der klassischen Brennver fahren beitragen eingesetzt werden Aber auch neue Prozesse wie z B die selbstz ndende Verbrennung homogener Gemische HCCI CAI etc die in vielen F llen Verfahrensmerk male des klassischen Otto und Dieselprozesses vereinen m ssen in die bestehenden Mo torkonzepte integriert werden Dabei besteht stets die Herausforderung einen m glichst Einleitung gro en Last und Drehzahlbereich mit einem Brennverfahren abzudecken was insbesondere bei selbstz ndendem Betrieb schwierig zu realisieren ist so dass in vielen F llen verschie dene Brennverfahren oder zumindest Verfahrensauspr gungen erforderlich sind um den gesamten erforderlichen Lastbereich abzudecken Um diese Ziele zu erreichen ist ein intensives Zusammenspiel von Grundlagenuntersuchun gen numerischen Simulationen und Versuchen erforderlich Zur Untersuchung des Prozes ses gelangt die Druckindizierung aufgrund ihrer verh ltnism ig kosteng nstigen und breiten Nutzbarkeit sehr h ufig zur Anwendung Durch sie ist die Bestimmung globaler Gr en im Zylinder oder der Druckverl ufe in Ansaug und Abgassystem mit einer hohen Zeitaufl sung m glich Ein entscheidender Nachteil ist jedoch dass keine r umlich aufgel sten Informatio nen
309. sung zus tzlich erschwert wird Die Er fassung des globalen Druckverlaufs ist hierbei verh ltnism ig einfach mit Hilfe von Indi ziermesstechniken s Abschnitt 2 4 1 m glich wohingegen eine besonders gro e Heraus forderung bei der Erfassung von im Hinblick auf Verfahrensverbesserungen besonders inte ressanten r umlich variierender Messgr en wie z B der Gemischzusammensetzung der Temperaturen oder der Ru konzentration besteht Da fast der gesamte Brennraum im Laufe eines Zyklus vom Kolben oder von den Ventilen berstrichen wird k nnen Temperaturmes sungen oder Probeentnahmen nur in eng begrenzten Bereichen vorgenommen werden Au 35 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren Berdem ist deren m gliche Anzahl und somit r umliche Aufl sung sehr gering und der Ein fluss auf die Vorg nge im Zylinder mit steigender Anzahl immer gr er Zus tzlich besitzen diese Messtechniken nur eine sehr begrenzte zeitliche Aufl sung begrenzt durch die gerin ge Entnahmefrequenz von Proben oder die thermische Tr gheit von Temperaturmessf h lern Daher werden Probeentnahmen aus dem Brennraum nur in Sonderf llen s Abschnitt 2 4 2 und Temperaturmessungen mit Messf hlern so gut wie nie durchgef hrt Eine Abhilfe k nnen hier optische Messtechniken schaffen da ihre r umliche Aufl sung nur durch das optische System bzw die Aufl sung der verwendeten Kamera begrenzt ist Au erdem wer den f r die Erfassung der Messdaten n
310. systemdruck w hrend der Einspritzungen gemessen und festgestellt dass bei 2000 min und h heren Einspritzmengen offenbar eine Resonanzfrequenz des Systems angeregt werden kann wo durch unvorhersehbar hohe oder niedrige Kraftstoffmengen eingespritzt werden Um dieses Problem zu beheben wurde ein Metallsinterfilter in die Kraftstoffleitung hinter dem Druck speicher nahe an der Einspritzd se eingebaut der durch seine engen Poren die relativ hochfrequenten Druckpulsationen der Einspritzung d mpft s Abbildung D 5 Hierdurch konnte auch bei 2000 min eine gute Reproduzierbarkeit der Einspritzmenge erzielt werden Die Ergebnisse der Messungen sind in Abbildung 5 23 dargestellt und zeigen dass im ver messenen Drehzahlbereich trotz des im Vergleich zu den Hochdruckd sen gro en Anteils der Einspritzdauer an der gesamten Zyklusdauer max 21 bei 1000 min max 42 bei 2000 min nahezu keine Abh ngigkeit der Einspritzmenge von der Drehzahl bei gleicher Ansteuerdauer vorliegt Insgesamt f llt durch Vergleich mit der Mehrlochd se bzw der A D se auf dass f r die Einspritzung der gleichen Kraftstoffmenge ber die Saugrohrein spritzung etwa die 8 fache bzw 19 fache Ansteuerdauer zu ber cksichtigen ist Auch f r die Saugrohreinspritzung wurden N herungsfunktionen bestimmt und in der Berechnungstabelle hinterlegt 90 80 N 1000 1 min 70 N 2000 1 min 60 50 40 30 Einspritzvolumen uI ES 20 10
311. szenzintensit t counts 200 000 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 Wellenl nge nm Abbildung C 2 Fluoreszenzspektren von PRF70 nach Anregung mit 266 nm Vergleich der Spektren von PRF70 in frisch gemischtem Zustand und nach jeweils einer Stunde Umlauf im konventionellen sowie im hochreinen Hochdruckkraftstoffsystem 189 Anhang C 1 600 000 1 400 000 PRF70 frisch gemischt Referenz 1 200 000 PRF 70 1 h Umlauf in konventioneller Hochdruckanlage PRF 70 1 h Umlauf in hochreiner Hochdruckanlage 1 000 000 800 000 600 000 Fluoreszenzintensit t counts 400 000 200 000 AL 280 320 360 400 440 480 520 560 600 Wellenl nge nm 640 Abbildung C 3 Fluoreszenzspektren von PRF70 nach Anregung mit 355 nm Vergleich der Spektren von PRF70 in frisch gemischtem Zustand und nach jeweils einer Stunde Umlauf im konventionellen sowie im hochreinen Hochdruckkraftstoffsystem 1 600 000 1 400 000 Iso Oktan frisch Referenz 1 200 000 PRF70 frisch gemischt Referenz Iso Oktan frisch mit 1 o Schmier l 1 000 000 800 000 600 000 Fluoreszenzintensit t counts 400 000 200 000 BEER EFFeESEEEEESEH 280 320 360 400 440 480 520 560 600 Wellenl nge nm 640 Abbildung C 4 Vergleich der Fluoreszenzspektren von reinem iso Oktan iso Oktan gemischt mit Schmier l 1 sowie von PRF70 nach Anregung mit 248 nm 190 Anhang C 1 600 000 1 400 000 Iso Okt
312. t 2 2 3 von hohem Interesse ist da mit diesem Verfahren auch sehr magere Mischungen verbrannt werden k nnen die sonst nicht z ndf hig w ren Um bei Verwendung von Selbstz ndung jedoch einen gr eren Lastbereich abdecken zu k nnen muss durch verschiedene Ma nahmen eine indirekte Beeinflussung des Selbstz nd zeitpunkts ber die thermischen und chemischen Eigenschaften der Mischung stattfinden da sonst entweder keine Z ndung eintritt oder es zu Verbrennungen mit unzul ssig hohen Dru ckanstiegsraten kommt Um diese Brennverfahren n her untersuchen zu k nnen wurden daher im Rahmen dieser Arbeit Versuche unternommen den optisch zug nglichen Einzylin dermotor mit Selbstz ndung zu betreiben wobei den beschriebenen Schwierigkeiten beson dere Aufmerksamkeit galt Details zu diesen Versuchen finden sich in Abschnitt 6 1 und Ab schnitt 6 2 Die bereits genannten Ma nahmen werden h ufig mit einer Reduzierung der Drehzahl kom biniert um eine Verschiebung des Lastpunktes zu h heren Lasten bzw in einen ver brauchsg nstigeren Kennfeldbereich zu erreichen und die mechanische Reibung durch ge ringere Kolbengeschwindigkeiten zu reduzieren Zur Umsetzung im Fahrzeug muss dann die Getriebeauslegung dahingehend ver ndert werden dass die G nge l nger bersetzt wer den um das gleiche Fahrverhalten wie bei h heren Drehzahlen zu erzielen Hierbei muss jedoch wie auch bei der Verringerung des Hubraumvolumens eine gewisse Zunahme der Wan
313. t bei Da trotz verst rkten Bestrebungen auf dem Gebiet der Elektromobilit t und insbesondere aufgrund einer stark anwachsenden Anzahl an Kraftfahr zeugen in Schwellenl ndern z B China in absehbarer Zukunft weiterhin mit einer globalen Zunahme der verkehrsbedingten Emissionen zu rechnen ist besteht in der Verbrauchsmin derung von Verbrennungsmotoren und der Optimierung der Verbrennungsprozesse hinsicht lich NO und HC ein wichtiger Ansatz zur Verminderung von Umweltbelastungen Daneben spielen aber mit Hinblick auf steigende Kraftstoffpreise auch wirtschaftliche Aspekte eine nicht zu vernachl ssigende Rolle da insbesondere beim Warentransport ein gro es Ein sparpotential durch Verringerung des Kraftstoffverbrauchs besteht F r die Entwicklung moderner Motoren bedeutet dies dass das Potential bestehender Ver brennungsprozesse weiter ausgesch pft oder an neue Gesamtmotorkonzepte angepasst werden aber auch neue Prozesse entwickelt werden m ssen ohne dass Merkmale wie Zu verl ssigkeit Preis oder Betriebsverhalten der Motoren negativ beeinflusst werden So be steht z B eine M glichkeit zur Senkung des spezifischen Verbrauchs in der Verkleinerung des Hubvolumens sogenanntes Downsizing wodurch der Motor in einem h heren Last bereich betrieben und so sein Wirkungsgrad gesteigert werden kann Hierbei m ssen die Brennverfahren so angepasst werden dass auch bei verringertem Hubvolumen und h herer Drehzahl eine m glichst voll
314. t weit seit lich am Brennraum vorbeif hrt und nicht in der Mitte des Motors F r die Versorgung des Zylinderkopfes mit Schmier l und K hlwasser sollten jeweils nur eine Zu und eine Ablauflei tung vorgesehen und diese ebenfalls m glichst weit seitlich am besten direkt neben dem Zahnriemen mit dem Grundmotor verbunden werden Ein gutes Beispiel f r die Umsetzung dieser Prinzipien ist in 47 gezeigt Alle weiteren Leitungen zur Versorgung des Zylinderkop fes wie z B die der Stromversorgung Mess und Regelleitungen Ansaugluftversorgung und falls m glich die Abgasleitung sollten von oben an den Zylinderkopf herangef hrt werden um den Zugang nicht zu versperren Dementsprechend sollte die Versorgung des Grundmo tors von unten her erfolgen Im Bereich der optischen Zug nge sollten optische Platten so angebracht werden dass aus reichend Platz zum Aufbau der Messtechnik zur Verf gung steht gleichzeitig aber auch noch alle Bereiche der Platten f r Justagearbeiten zu erreichen sind Die Platten sollten f r sp ter evtl noch vorzunehmende Anpassungen mit vertretbarem Aufwand in der H he ver nder bar sein so dass sich zur Montage Gestelle aus leicht und variabel zu montierenden Alumi niumprofilen anbieten Diese sollten m glichst steif konstruiert sein und vom Motor und dem Antrieb schwingungsentkoppelt werden um im sp teren Betrieb nicht von den Schwingun gen des Motors beeintr chtigt zu werden Bei allen Komponenten die zum
315. ter Verwendung von CO Das so gewon nene Methan kann entweder zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet werden der Herstel lung anderer Kohlenwasserstoffe dienen oder in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden Durch die Einspeisung in das Erdgasnetz besteht zudem die M glichkeit ber sch ssige erneuerbare Energie ber einen l ngeren Zeitraum zu speichern und bei Bedarf abzurufen 21 2 3 9 Resultierende Anforderungen an zuk nftige Verbrennungsmotoren Wie aus den vorhergehenden Abschnitten hervorgeht ergeben sich f r zuk nftige Verbren nungsmotoren eine Vielzahl von sich zum Teil widerstrebenden Anforderungen Hierbei sind die allen Anforderungen zugrundeliegenden Ziele die Verringerung des Verbrauchs sowie 33 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren die Realisierung einer schadstoffarmen Verbrennung Weiterhin sollen die Motoren auch mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden k nnen die bisher erst in begrenztem Umfang verwendet werden in Zukunft aber aus Gr nden der Ressourcenverknappung Alternative zu Erd l oder aus kologischen Gr nden Vermeidung von CO Emissionen zunehmend zur Anwendung gelangen werden Aus dem Ziel der Effizienzsteigerung ergibt sich die Anforderung nach h heren effektiven Mitteldr cken und erh hten Verdichtungsverh ltnissen wobei jedoch klopfende Verbrennung vermieden werden muss Hierzu k nnen in begrenztem Umfang klopffestere Kraftstoffe ver wendet werden oder abe
316. ter mit Hilfe des Ger ts manuell bet tigt und die Dr cke sowie die Temperaturen der beiden Sensoren abgelesen werden Au erdem bein haltet die berwachungsbox die Spannungsversorgung f r die piezoresistiven Messverst r ker und stellt die Anschl sse zur Verbindung der Signalausg nge mit dem IndiCom Rechner zur Verf gung 5 3 Kraftstoffanlagen Der optische Motor verf gt sowohl ber eine Hochdruck als auch ber eine Niederdruckein spritzanlage s auch Abschnitt 5 4 F r die zuverl ssige Durchf hrung optischer Messun 92 5 3 Kraftstoffanlagen gen insbesondere mittels LIF ist die Verwendung hochreiner Kraftstoffe von entscheidender Bedeutung um deren bekannte Fluoreszenzeigenschaften ohne St reinfl sse nutzen zu k nnen Es zeigte sich jedoch bei verschiedenen Versuchen am optischen Motor s Ab schnitt 6 2 wie auch an anderen Motoren des Instituts dass mit konventionellen KFZ Einspritzanlagen die Reinhaltung der Kraftstoffe aufgrund der verwendeten Kunststoff komponenten leintrag und chemischer Zersetzungsvorg nge s auch folgende Abschnitte nicht m glich ist Daher wurden sowohl f r die Hochdruck als auch die Niederdruckeinsprit zung hochreine Pumpensysteme aufgebaut die im Folgenden n her beschrieben werden 5 3 1 Hochdruckkraftstoffanlage Insbesondere bei den in Abschnitt 6 2 beschriebenen Messungen zeigten sich Fluoreszenz signale die nur durch Verunreinigungen im Kraftstoff verursacht werden k
317. tet verschiedene Sensoren sowie Probenentnahmestellen zur Messung der Abgas eigenschaften und einen Druckaufnehmer zur Erfassung des Abgasdruckverlaufs Die Kom ponenten dieses Systems sowie die Bestimmung des Abgaszustandes sollen im folgenden erl utert werden 5 6 1 Aufbau Die ber die beiden Auslassventile ausgesto enen Abgasstr me werden zun chst noch im Zylinderkopf zusammengef hrt und anschlie end ber das Abgassystem aus der Motoren kabine abgeleitet Hierbei verl uft die Abgasleitung zun chst U f rmig durch den Keller der Messkabine und anschlie end ber das Geb udedach ins Freie An der tiefsten Stelle der Abgasleitung befindet sich ein Kondensat Ablassventil Da es durch den intermittierenden Betrieb Skip Fire des Motors nicht zu einer ausreichenden Erw rmung des Abgassystems kommt bildet sich insbesondere beim Betrieb mit hohen AGR Raten durch die in diesem Fall besonders niedrige Abgastemperatur Kondensat das regelm ig abgelassen werden muss 114 5 6 Abgassystem um einen problemlosen Betrieb zu gew hrleisten Da das Abgassystem nicht ber eine akti ve Absaugung oder R ckschlagklappen verf gt kann es bei abgestelltem Motor durch den von der Geb udel ftung verursachten Unterdruck in der Motorenkabine zur R ckstr mung von Abgas bzw Au enluft durch das Abgassystem kommen Hierdurch k nnen Geruchsbe l stigungen in der Kabine sowie Korrosionssch den durch hohe Luftfeuchtigkeit und aggres s
318. tisch zum Vorgehen f r das erste Gas Nach Abschluss der Kalibrierung sollte die Waschflasche entleert und das System ca 24 h offen stehen gelassen werden um Wasserr ckst nde zu verdunsten und so Korrosion vor zubeugen 206 Anhang G Beleuchtete Einstellvorrichtung f r endoskopische Messungen Bei der Durchf hrung endoskopischer Messungen mit senkrechtem Lichtschnitt ist es not wendig die optischen Elemente des Beobachtungsendoskops im eingebauten Zustand bei geschlossenem Brennraum so einzurichten dass eine scharfe Abbildung der Lichtschnitt ebene entsteht Au erdem ist es notwendig zum Entzerren der Bilder in der Bildnachbear beitung ein Muster mit definierter Struktur z B Kreuz oder Punktraster mit gleichm igen Abst nden aufzunehmen mit dessen Hilfe eine Entzerrungsmatrix berechnet und auf alle Bilder angewendet werden kann BATTERIE LED NR 3 4 UND5 STECKPLATZ F R ENDOSKOPRING LEDNR 2 BEOBACHTUNGS ENDOSKOP LED HINTERGRUND BELEUCHTUNG LED NR 1 LED WAHLSCHALTER BATTERIE ANSCHLUSS Abbildung G 1 Beleuchtete Einstellvorrichtung f r endoskopische Messungen Um diese Arbeiten einfach durchf hren zu k nnen wurde die in Abbildung G 1 gezeigte Vor richtung entwickelt mit deren Hilfe ein Raster im geschlossenen Brennraum in der Licht schnittebene positioniert und mit Licht verschiedener Wellenl ngen je nach verwendeten optischen Komponenten bzw zu messender Spezies beleuchtet werden kann
319. tkessels und der Drosselklappe s auch Abschnitt 5 5 4 und Abschnitt 5 5 6 Die Indiziermesskette zur Aufnahme des Zylinderdrucks beginnt mit dem piezoelektrischen Druckaufnehmer Dieser kann f r Dr cke bis zu 300 bar ausgelegt sein und erzeugt mit Hilfe eines Piezokristalls eine dem Zylinderdruck proportionale elektrische Ladung welche an den Verst rker weitergeleitet wird Da die Sensoren hohen Druck und Temperaturbelastungen ausgesetzt sind ist eine sorgf ltige Wahl des Einbauortes im Zylinderkopf sowie die ord nungsgem e Montage entscheidend f r die Qualit t der Messergebnisse Idealerweise wird der Druckaufnehmer b ndig mit dem Brennraumdach eingebaut da enge und lange Kan le vor dem Sensor zu Pfeifenschwingungen f hren die das Messergebnis verf lschen Ist im Zylinderkopf nicht gen gend Bauraum zur Unterbringung eines Drucksensors vorhanden insbesondere bei Serienmotoren so k nnen Druckaufnehmer verwendet werden die in eine Z ndkerze Ottomotor oder eine Gl hkerze Dieselmotor integriert sind Das Ladungs signal wird an einen Verst rker weitergeleitet der es in ein Spannungssignal blicherwei se 0 10 V umwandelt welches sodann vom Indizierger t erfasst wird Dieses digitalisiert die Analogsignale und nimmt eine Reihe von Echtzeitberechnungen welche vom Indizier rechner parametriert werden vor s unten Die Ergebnisse werden an den Indizierrechner bergeben wo sie gespeichert und sp ter weiter ausgewert
320. tquelle die Messung st ren w rde und zum anderen Lichtschnitte ver 64 4 3 Laserinduzierte Fluoreszenz LIF wendet werden m ssen um die Vorg nge in einer bestimmten Ebene untersuchen zu k n nen 32 61 4 3 Laserinduzierte Fluoreszenz LIF Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Methoden bei denen die von den Molek len selbst ausgesendete bzw reflektierte Strahlung genutzt wird verwendet die Laserinduzierte Fluoreszenz LIF das von Molek len nach der Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wel lenl nge ausgesendete Fluoreszenzsignal zur Messung von z B Konzentrationen Mi schungsvorg ngen oder des Verbrennungsverlaufs Bei der Laserinduzierten Fluoreszenz wird anders als bei der Rayleigh und Raman Streuung das Molek l durch das eingestrahlte Licht ber seinen elektronischen Grundzu stand hinaus in einen h heren elektronischen Zustand angeregt Der angeregte Zustand entspricht hierbei genau einem tats chlichen Rotations oder Schwingungsniveau des Mole k ls Zur Anregung ist daher eine genau festgelegte Energiemenge und somit eine bestimm te Wellenl nge des zur Anregung verwendeten Photons n tig Bohr sche Frequenzbedin gung AE hv 4 5 Dieser Vorgang ist in Abbildung 4 5 anhand eines vereinfachten Zwei Niveau Modells darge stellt Eine detaillierte Beschreibung der Vorg nge findet sich z B in 62 Rotationsniveaus Vibrationstransfer Vibrationsiveaus En ER II H Elektronisch u 222 ange
321. tr mungsgr en auf kleinem Raum zu erwarten sind 37 wie z B bei der Durchstr mung der Einlassventile s Detailabbildungen in Abbildung 2 16 Insbesonde re bei der Berechnung des Ladungswechsels und der Zylinderinnenstr mung Verbrennung ist es n tig bewegte Netze zu verwenden die sich an die ver nderliche Geometrie des Brennraumes anpassen und so den Einfluss von Kolben und Ventilen ber cksichtigen Die Generierung der Netze kann entweder von Hand also durch den Benutzer erfolgen oder mit Hilfe von automatisierten Netzgeneratoren erzeugt werden 4 EINLASSVENTIL AUSLASSVENTIL Abbildung 2 16 Rechengitter zur Simulation des optischen Motors 36 Zur eigentlichen Berechnung des Str mungsproblems m ssen die L sungen der zeitlichen Ableitungen der dreidimensionalen Erhaltungss tze f r Masse Impuls und Energie Navier Stokes Gleichungen numerisch berechnet werden Hierzu muss sowohl eine zeitliche als auch eine r umliche Diskretisierung der zu untersuchenden Str mung vorgenommen wer 50 2 5 Numerische Methoden den Zur zeitlichen Diskretisierung wird der f r die Simulation interessante Zeitraum in sinn volle Zeitschritte unterteilt Die r umliche Diskretisierung erfolgt in den meisten F llen mit Hilfe der Finite Volumen Methode FVM aber auch die Finite Elemente Methode FEM oder die Finite Differenzen Methode FDM k nnen angewendet werden Das zuvor generierte Netz stellt hierbei die f r die Berechn
322. tstoffes die Zusammensetzung der Luft Brennstoff Mischung die Ver nderung des Z ndwinkels durch Einsatz von Klopfsensoren und verschiedene andere 2 1 Grundlagen des Otto und Dieselmotors Ma nahmen der Prozessf hrung s Kapitel 2 2 beeinflusst werden jedoch liegt die Grenze des Verdichtungsverh ltnisses f r Ottomotoren bei etwa e 10 5 Da bei Dieselmotoren nur reine Luft verdichtet wird kann bei ihnen kein Klopfen auftreten so dass hier Verdichtungs verh ltnisse von bis zu e 21 erreicht werden 3 4 A Arbeitsschleife B Ladungswechselschleife p Zylinderdruck Pu Umgebungsdruck Vh Hubvolumen Totraumvolumen OT Oberer Totpunkt UT Unterer Totpunkt S Kolbenweg Abbildung 2 3 Indikatordiagramm eines realen Viertakt Motors adaptiert aus 6 Neben den durch technische Einschr nkungen bedingten Grenzen f r das Verdichtungsver h ltnis e und somit den theoretisch erzielbaren Wirkungsgraden der Vergleichsprozesse er geben sich f r den in Abbildung 2 3 anhand eines Indikatordiagramms dargestellten realen Viertakt Prozess weitere Einschr nkungen die den Wirkungsgrad des realen Motors gegen ber dem idealen Vergleichsprozess verringern Das Indikatordiagramm zeigt hierbei wie auch bereits die Diagramme in Abbildung 2 2 den Verlauf des Zylinderdrucks in Abh ngigkeit vom Kolbenweg s bzw des Hubvolumens V Da zur technischen Realisierung des Viertakt Verfahrens auch das Ausschieben des Abgases und das Ansa
323. uerstotoerat I 168 04 08 08 0m m 70 70 70 TEEN Unverb Krtetfantcl pa 65 ma 61 a1 05 04 a7 nn 172 204 Anhang F Kalibrierung der A Sonde Zur Kalibrierung der A Sonde muss zun chst die Waschflasche des in Abbildung F 1 sche matisch dargestellten Kalibrierger ts zu 2 3 mit Wasser bef llt werden Vollentsalztes Was ser Anschlie end sollte optisch berpr ft werden ob die Berstmembran intakt ist Ist diese geplatzt oder faltig muss sie durch ein neues m glichst glattes St ck handels blicher Alufo lie Dicke 0 010 bis 0 015 mm ersetzt werden indem ein gr eres St ck zwischen die Flan sche gelegt von Hand geklemmt der berstand abgerissen und anschlie end der Flansch verschraubt wird Der Anschluss an das Abluftsystem kann mit Hilfe eines Reduzierflansches KF40 auf 6 mm Rohr und eines Schlauches erfolgen Die Versorgung mit den Kalibriergasen sollte vorbereitet werden indem entsprechende Verbindungen zur Stickstoff leitung Nullstrombereich Pressluftleitung magerer Messbereich und zur Kalibriergasflasche 4 1 CO und 3 2 H gt in N fetter Messbereich hergestellt werden passende Leitungen sollten dem Kalibrierger t beiliegen In allen Versorgungsleitungen ist ein Druckminderer anzubringen der die Einstellung des Vordrucks auf maximal 1 bar zu l sst Abschlie end ist die A Sonde zu installieren und an das A Meter anzuschlie en DRUCKMINDERER DROSSELVENTIL C a Pe ABLUFTSYSTEM BE
324. ugen von frischer Luft bzw frischem Gemisch erforderlich sind ist neben der Arbeitsschleife Fl che A auch noch zus tzlich die Ladungswechselschleife Fl che B im Indikatordiagramm zu erkennen Hierbei l sst sich die im Arbeitstakt gewonnene Arbeit aus der Fl che A und die f r den Ladungswechsel aufzubringende Arbeit aus der Fl che B ermitteln und mit Hilfe des im Verlauf einer Kurbelwellenumdrehung berstrichenen Hubvo lumens V der indizierte Mitteldruck ermitteln 2 Brennverfahrensentwicklung f r moderne Motoren 1 Pmi dV 2 Aus dem indizierten Mitteldruck kann wiederum mit Hilfe der Motordrehzahl n und der Anzahl der Arbeitsspiele na Halbe Kurbelwellendrehzahl beim Viertakt Motor na n 2 die indizier te Leistung FP ermittelt werden P Pmi Vh NA 2 8 Diese unterscheidet sich aufgrund der unvermeidbaren mechanischen Reibungsverluste im Motor u a Reibung zwischen Kolben und Laufbuchse Lagerreibung und Reibung im Ventil trieb um den Betrag der Reibleistung P von der letztendlich an der Kurbelwelle zur Verf gung stehenden effektiven Leistung P P P P 2 9 Aus diesen Gr en k nnen nun unmittelbar der mechanische Wirkungsgrad des Motors Nm und mit Hilfe des Brennstoffmassenstromes m und des unteren Heizwertes Ah des Brenn stoffes der effektive Wirkungsgrad n bestimmt werden Im 2 10 Pe UP meer 2 11 Diese Wirkungsgrade erlauben eine Beurteilung der Effizienz des ges
325. ung 5 4 zeigt eine Explosionsdarstellung der gesam ten Zylinderkopfbaugruppe 73 5 Versuchsanlage ABDECKPLATTEN F R NOCKENWELLEGEH USEZUG NGE STELLMOTOR F R EINLASSVENTILHUBVERSTELLUNG NOCKENWELLENGEH USE OBERTEIL NOCKENWELLENGEBERSCHEIBE EINSPRITZD SE MIT NIEDERHALTER AUSLASSNOCKENWELLE Ea NOCKENWELLENGEH USE UNTERTEIL ER Y BERGANSST CK AGR VENTIL AUSLASSROHR ZYLINDERKOPF SAUGROHRE EINLASSBERUHIGUNGSVOLUMEN DROSSELKLAPPE Abbildung 5 4 Explosionszeichnung von Nockenwellengeh use und Zylinderkopf Beim Zylinderkopf handelt es sich um ein Aluminiumgussteil welches die Ansaug und Ab gaskan le sowie die K hlwasserkan le enth lt Des Weiteren sind die Ventilf hrungen und die Ventilsitzringe in den Zylinderkopf eingeschrumpft Ebenso sind Aufnahmebohrungen f r den Piezo Druckaufnehmer die Z ndkerze und das Einspritzventil vorhanden Eine weitere Bohrung zwischen den Ansaugkan len dient zur Aufnahme eines Beleuchtungsendoskops s Abschnitt 5 1 4 Eine CAD generierte Ansicht der Ansaug und Abgaskan le sowie des Brennraumdachs und der Anordnung der o g Bauteile ist in Abbildung 5 5 dargestellt 14 5 1 Optischer Motor und Kompaktpr fstand K HLWASSERKAN LE ANSAUGKAN LE ABGASKAN LE Z NDKERZE EINSPRITZD SE AUSLASSKANAL Das il EINLASSKANAL AV EINSPRITZD SENBOHRUNG u y Z NDKERZENBOHRUNG i EINKOPPLUGSSCHLITZ F R LICHTSCHNITTENDOSKOP EINLASSVENTIL
326. ung erforderlichen Kontrollvolumina zur Verf gung Die L sung der Gleichungen ist nur durch Definition von Randbedingungen m glich die sowohl durch die W nde des Rechenraumes Haftbedingung als auch durch das einstr mende Str mungsfeld vorgegeben werden wobei zur Definition des einstr menden Str mungstel des h ufig Ladungswechselrechnungen herangezogen werden k nnen s Abschnitt 2 5 1 Eine andere M glichkeit zur Ermittlung der Anstr mung besteht in der Verwendung von Messdaten die z B mit Hilfe von PIV gewonnen werden k nnen 37 Soll in der Berechnung auch die Verbrennung von Kraftstoff ber cksichtigt werden so ist eine Vielzahl zus tzlicher Gleichungen f r den Reaktionsmechanismus die W rmefreisetzung und ggf die Interaktion von Ladung und Spray s n chster Abschnitt zu ber cksichtigen 4 Bei Motoren mit Direkteinspritzung oder auch Saugrohreinspritzung soll h ufig auch der Ein spritzvorgang und der damit verbundene Einfluss des Sprays auf die Zylinderf llung simuliert werden Hierbei m ssen im Prinzip zwei numerische Modelle n mlich f r die Gasphase und f r die Fl ssigphase miteinander gekoppelt werden Zwischen Gasphase und Tropfen herrscht zum einen ein Impulsaustausch der den Tropfen bremst und das Gas beschleunigt zum anderen findet durch Verdampfung ein Stoff und Temperaturaustausch mit der Gas phase statt Bei hoher r umlicher Dichte von Tropfen kann auch noch eine Ber cksichtigung der Interaktion
327. ung im kon ventionellen Betrieb durchgef hrt Hierbei zeigte sich erwartungsgem dass mit Fremd z ndung im konventionellen Betrieb eine an der Z ndkerze beginnende Verbrennung beo bachtet werden kann wohingegen im HCCl Betrieb eine r umlich verteilte Verbrennung zu verzeichnen ist Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang dass im HCCI Betrieb ohne Einspritzung in die Zwischenkompression trotzdem ein deutliches homogen verteiltes Che milumineszenzsignal beobachtet werden kann das bis zum Erreichen des oberen Totpunkts w hrend der Zwischenkompression wieder abnimmt Hieraus kann geschlossen werden dass signifikante Mengen unverbrannten Kraftstoffs auch nach der Hauptverbrennung noch vorhanden sind und in der Zwischenkompression verbrennen Diese Hypothese konnte auch in den anschlie end durchgef hrten Messungen an CH O im HCCI Betrieb best tigt werden Diese zeigen zun chst in der Hauptkompression einen Anstieg des Fluoreszenzsignals her vorgerufen durch die zunehmende Bildung von CH O aufgrund steigender Temperaturen und Dr cke im Verlauf der Kompression In der Expansionsphase kann jedoch ebenfalls Flu oreszenzsignal beobachtet werden als dessen Ursprung Spalten im Bereich des Zylinder kopfes und des Kolbens ausmachen lassen in denen ein Teil der Mischung w hrend der Verbrennung verbleibt und aufgrund von Quenching nicht abbrennen kann Analog zu den Chemilumineszenzmessungen zeigt sich auch bei der CH gt O LIF ein starkes Signa
328. unktion Integral des Brennverlaufs be rechnet und hiermit z B die Umsatzpunkte blicherweise 5 50 und 95 Kraftstoffum satz bestimmt werden Die Umsatzpunkte dienen dem Anwender direkt zur Einstellung des Motors im Versuchsbetrieb oder zur sp teren Beurteilung der Qualit t der Verbrennung da z B f r einen optimalen Wirkungsgrad der 50 Umsatzpunkt zwischen 7 und 10 KW nach ZOT liegen sollte Auch der indizierte Mitteldruck kann direkt berechnet gem Gleichung 2 7 und zur Beurteilung der Last herangezogen werden um die Einstellungen des Motors so anzupassen dass der gew nschte Betriebszustand erreicht wird Eine Unter suchung ob bei einem bestimmten Betriebszustand Klopfen auftritt kann durch Filterung des Zylinderdrucksignals mit Hilfe eines Hochpassfilters erfolgen da sich infolge des Klopfens im Brennraum Schwingungen mit einer Frequenz von typischerweise 7 8 kHz ausbilden Durch Ermittlung des Maximalwerts und Bildung des Klopfintegrals k nnen die Intensit t und die H ufigkeit des Klopfens ermittelt werden Mit Hilfe dieser Informationen k nnen in der Ent wicklung gef hrliche Betriebszust nde erfasst und in der sp teren Applikation automatisiert vermieden werden um Motorsch den zu verhindern 22 Werden zus tzlich zum Zylinderdruck auch die Dr cke im Ansaugsystem und im Abgassys tem indiziert so kann ein numerisches Ladungswechselmodell des Motors erstellt werden Hierbei werden die durchstr mten Komponenten
329. ur sehr kurze Zeitr ume ben tigt in denen sich die Verh ltnisse im Brennraum praktisch nicht ver ndern und zudem k nnen mit ausreichend schnellen Systemen auch mehrere Messungen innerhalb eines Zyklus vorgenommen wer den so dass auch eine gute zeitliche Aufl sung zu erreichen ist Da optische Messungen ber hrungsfrei ablaufen kann der gesamte Brennraum erfasst und Beeinflussungen der Zu st nde im Brennraum durch die Messung weitestgehend ausgeschlossen werden Eine kur ze bersicht verschiedener optischer Messverfahren die f r Untersuchungen im Motor an gewendet werden k nnen wird in Abschnitt 2 4 3 gegeben Eine detailliertere Beschreibung der im Rahmen dieser Arbeit angewendeten Messtechniken erfolgt in Kapitel 4 2 4 1 Indiziermesstechnik Unter Indizierung wurde urspr nglich die Erfassung des Zylinderdrucks in Abh ngigkeit vom Kurbelwinkel verstanden Hierzu wurde mit Hilfe eines mechanischen Indikators der Druck auf einen Schreibstift bertragen und auf einer mit dem Pleuel mechanisch gekoppelten Trommel auf Millimeterpapier aufgezeichnet wodurch das bereits in Abbildung 2 3 darge stellte Indikatordiagramm entsteht Durch Ausz hlen oder Ausmessen mit Hilfe eines Pola rimeters der eingeschlossenen Fl che konnte so z B der indizierte Mitteldruck gem Glei chung 2 7 bestimmt werden 22 In der modernen Motormesstechnik ist der Begriff Indizierung wesentlich weiter gefasst und beinhaltet neben der Erfassung des Zy
330. urden Messungen zur Entste hung von thermischen Schichtungen und Inhomogenit ten w hrend der Kompressionsphase mit Hilfe von Toluol LIF durchgef hrt und gezeigt werden dass zu Beginn der Verdichtung in Wandn he nur geringe Temperaturinnomogenit ten vorliegen im Verlauf der Verdichtung jedoch zunehmend Fluktuationen mit h herer Intensit t und r umlicher Ausdehnung auftre ten die sich sogar bis in die Mitte des Brennraumes ausdehnen Wichtig in diesem Zusam menhang sind auch Kenntnisse der Zylinderinnenstr mung und des hiervon beeinflussten Mischungsverhaltens von frischer Ladung und Restgas zu deren Untersuchung PIV Messungen durchgef hrt wurden Mit Hilfe dieser Messungen konnte das Einstr men der Ansaugluft beobachtet und das Verhalten der Zylinderinnenstr mung w hrend der Kompres sion untersucht werden Des Weiteren wurde mit dem TDLAS Messverfahren eine Messme thode erprobt mit deren Hilfe in Zukunft der Restgasanteil im Brennraum durch Messung der von Wasser hervorgerufenen Absorption von Laserlicht bestimmt werden soll Zusammenfassend kann festgehalten werden dass mit dem im Rahmen dieser Arbeit auf gebauten und in Betrieb genommenen optischen Motors ein vielseitiges Werkzeug zur Un tersuchung der Mischungs und Verbrennungsvorg nge in modernen Verbrennungsmotoren vorliegt Eine Vielzahl von Experimenten konnte bereits durchgef hrt und ausgewertet sowie zahlreiche Verbesserungen anhand der gewonnenen Betriebserfahrungen vo
331. ve Aussagen getroffen wer den oder es m ssen zum Teil sehr aufw ndige Kalibrationsmessungen und erweiterte Messtechniken wie z B die Zweifarbenthermometrie angewendet werden 6 4 Optische Messtechniken F r die Abbildung von Str mungs und Verbrennungsvorg ngen in Motoren oder anderen Verbrennungssystemen mittels LIF muss in jedem Fall mindestens eine fluoreszierende Substanz bereits in der Luft oder dem Brennstoff vorhanden sein bzw k nstlich zugemischt werden oder w hrend der Vorreaktion sowie der Verbrennung entstehen Je nach Messauf gabe kann entweder der Gasstrom oder der Kraftstoff mit der fluoreszierenden Komponente Tracer versehen werden wobei die physikalischen Eigenschaften des Tracers denen der Tr gersubstanz immer so nah wie m glich kommen sollten und auch keinen verf lschenden Einfluss auf den zu untersuchenden Vorgang aus ben d rfen Insbesondere bei Kraftstoff tracern bedeutet dies dass Siedepunkt Dampfdruck Mischungsverhalten und das Reakti onsverhalten w hrend der Verbrennung dem urspr nglichen Kraftstoff so hnlich wie m g lich gew hlt werden sollten da der Tracer ansonsten kein f r den Kraftstoff repr sentatives Verhalten aufweist oder das Verbrennungssystem beeinflusst 33 Zur Untersuchung der Vermischung von Kraftstoff und Zylinderf llung kann im einfachsten Fall kommerziell verf gbarer Kraftstoff verwendet werden da er zahlreiche fluoreszierende Komponenten enth lt und dementspreche
332. w rmeverlusten oder auch zur Schadstoffproduktion die NO Entstehung wird z B der verbrannten Zone zugeschrieben genauer beschrieben werden so dass sich bessere Ann herungen an die realen Bedingungen als im Ein Zonen Modell erge ben Hierbei ist zwar die erforderliche Rechenzeit bereits h her als bei Annahme eines ideal durchmischten Brennraumes jedoch noch wesentlich geringer als bei einer 3D CFD Simulation s Kapitel 2 5 2 so dass sich ein guter Kompromiss zwischen Genauigkeit und erforderlichem Rechenaufwand ergibt 4 Die o g Simulationsmodelle bieten somit eine gute M glichkeit in der Entwicklung von Moto ren ausgehend von bekannten Betriebszust nden das Verhalten des Motors bei ver nderten Randbedingungen zu beurteilen oder auch nderungen des Ansaug und Abgassystems vor der Umsetzung am Versuchstr ger zu untersuchen und so kostspielige Fehlversuche zu vermeiden Auch ergibt sich durch die Simulation eine Zugriffsm glichkeit auf anderweitig schwer zug ngliche Daten wie z B die Abgasr ckf hrrate AGR oder die r umlich gemit telte Temperatur im Zylinder welche wiederum anderen Messmethoden z B Kraftstoff LIF zur Korrektur der Messdaten dienen k nnen 2 5 2 Dreidimensionale Simulation Mit zunehmender Rechenleistung von Gro computern und insbesondere Arbeitsplatzrech nern hat in den letzten Jahren auch die Bedeutung der str mungsmechanischen Simulation Computational Fluid Dynamics CFD enorm zugenomm
333. x durch hohe Tempera turen und Luft berschuss in den Randgebieten des Einspritzstrahls entsprechend den be reits f r den Ottomotor beschriebenen Vorg ngen beg nstigt wird Daher wird eine m g lichst schnelle Durchmischung von Brennstoff und Luft angestrebt um Bereiche mit extre men Luftverh ltnissen zu vermeiden und zum Zeitpunkt der Entflammung m glichst g nstige Bedingungen f r den Ausbrand zu schaffen Die wichtigsten Einflussgr en sind hierbei Drall und Quetschstr mung der Verbrennungsluft sowie ein m glichst fein zerst ubtes Kraftstoffspray Temperaturen 950K 1600 K 2700 K 350K Dene AAA y En m Kalter Brennstoff Fette Mischung er NO CO amp H O Schadstoff Mengenanteil Hei e Verbrennungsproduckte aus fetter 1 2 3 4 5 6 Luft Verbrennung CO HC und Ru Luftverh ltnis Chemische Vorg nge Abbildung 2 7 Schadstoffemissionen beim Dieselmotor in Abh ngigkeit vom Luftverh ltnis 5 sowie Temperaturen und Entstehungsorte der verschiedenen Schadstoffspezies 12 Der Drall kann der einstr menden Luft durch eine zweckm ige Form der Einlasskan le aufgepr gt werden und sorgt w hrend der Einspritzung und Verbrennung durch eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Einspritzstrahl und Verbrennungsluft f r ein hohes Turbu lenzniveau und eine schnelle Durchmischung der Oxidationspartner sowie Verdampfung des Brennstoffs Hierzu tr gt auch die durch Verdr ngung von Luft aus dem
334. zahl von 1200 auf 2000 min zu erh hen Diese M glichkeit ergab sich durch neu zur Verf gung stehende Messtechnik LaVision Imager Intense Kamera mit PTU Triggereinheit Durch diese Ausr stungserg nzung war es nicht mehr n tig die Motordreh zahl als ein Vielfaches der optimalen Triggerfrequenz des Lasers von 10 Hz zu w hlen Stattdessen kann durch die Kamerasoftware und die PTU Triggereinheit die Triggerung des Lasers durch Vorgabe eines Toleranzbereichs f r die Lasertriggerfrequenz 10 0 5 Hz von der durch den Motor gelieferten Triggerfrequenz in einem gewissen Drehzahlband entkoppelt werden Zwar sinkt hierbei die Aufnahmefrequenz jedoch ist eine wesentlich freiere Wahl der Betriebsbedingungen m glich Durch die Drehzahlerh hung k nnen prinzipiell die Wandw rmeverluste w hrend der Kompression aufgrund der geringeren f r die W rme bertragung zur Verf gung stehenden Zeit verringert werden Zwar erh ht sich auch der W rme bergangskoeffizient durch h here Str mungsgeschwindigkeiten und die h heren Gastemperaturen jedoch kann in dem verh ltnism ig geringen f r den optischen Motor genutzten Drehzahlbereich davon ausgegangen werden dass sich Drehzahlerh hungen sowie eine Erh hung der Last positiv auf den relativen W rmeverlust auswirken und so zu einer Verbesserung des Selbstz ndverhaltens beitragen 5 16 Weiterhin wurde zur Erh hung des Temperaturniveaus w hrend der Kompression eine elektrische Ansaugluftvorw r
335. zeigte sich dass je nach vorliegenden Bedingungen eine gewisse Eindringtiefe des fl ssigen Sprays bei gegebener Einspritzmenge nicht berschritten werden kann Eine Be netzung des Kolbens mit fl ssigem Kraftstoff konnte bei keinem der untersuchten Einspritz zeitpunkte eindeutig nachgewiesen werden jedoch ist bei einer Einspritzung nahe am obe ren Totpunkt aufgrund des beobachteten geringen Abstands zwischen Sprayspitze und Kol ben eine Benetzung sehr wahrscheinlich Ebenso kommt es aufgrund der beobachteten ge ometrischen Verh ltnisse sehr wahrscheinlich zu einer geringf gigen Benetzung eines der Z ndkerzenarme Bei zuk nftigen Messungen sollte zus tzlich zur Visualisierung der Fl s sigphase auch noch die Dampfphase durch Verwendung von Tracern untersucht werden um so auch die Ausbreitung des verdampften Kraftstoffs sowie die Interaktion zwischen Spray und Gasphase untersuchen zu k nnen und so die Bildung der gew nschten Mischung z B durch geschickte Mehrfacheinspritzung kleinster Kraftstoffmengen zu optimieren Neben den oben genannten Experimenten wurden auch im Rahmen weiterer Projekte von anderen Experimentatoren in zunehmendem Ma e Untersuchungen am optischen Motor 176 7 Zusammenfassung durchgef hrt Hierzu z hlten z B Oberfl chen Temperaturmessungen bei denen die Aus lassventile mit einem Thermophosphor beschichtet und die Oberfl chentemperatur des Ven tils kurbelwinkelabh ngig bestimmt werden Des Weiteren w
336. zu beobachten ist Weiterhin zeigt sich dass f r Einspritz zeitpunkte im Bereich von 320 bis 280 KW das Signal nach Beginn des gefeuerten Be triebs zun chst ansteigt sich anschlie end auf einem Niveau von etwa 2000 ppm stabilisiert nach Ende des gefeuerten Betriebs 100 Zyklen zun chst relativ steil abf llt und sodann flacher ausl uft An diesem Verhalten zeigt sich deutlich dass w hrend und insbesondere nach der anf nglichen Totzeit zun chst eine Vermischung von Abgas und noch in der Mess leitung und den Messger ten vorhandener Luft stattfindet bis bei Erreichen des konstanten Signalniveaus das gesamte System mit Abgas gef llt ist Der umgekehrte Effekt ergibt sich sobald nach dem Ende des gefeuerten Betriebs das System nach und nach wieder mit Luft aus dem Abgassystem gef llt wird bis letztendlich alle verbrennungsbedingten Kohlenwas serstoffe aus dem Messsystem ausgetragen sind Durch diese Mischungseffekte Ver 120 5 6 Abgassystem schmieren ist eine zyklusgenaue Zuordnung der Schadstoffkonzentrationen unm glich Eine weitere Schwierigkeit der Auswertung zeigt sich anhand der Signalverl ufe f r Ein spritzzeitpunkte von 270 bis 240 KW da bei diesen Versuchen nicht vom ersten Zyklus an eine stabile Verbrennung vorlag sondern durch Fehlz ndungen zun chst einen sehr hohe Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe vorlag die im Falle der Einspritzzeitpunkte von 260 und 250 KW sogar zu einer Messbe

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