Analyse des Entflammungsverhaltens bei Ladungsschichtem für strahlgeführte Brennverfahren mit Multifunkenzündung
Final Report Abstract
Das strahlgeführte Brennverfahren bietet beim Ottomotor ein hohes Potential zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Charakteristisch für dieses Brennverfahren sind die enge räumliche Zuordnung von Zündkerze und Injektor sowie die kurze zeitliche Abfolge von Einspritzung und Zündung. Eine sichere Entflammung setzt voraus, dass im Zündvolumen ein zündfähiges Gemisch vorliegt und dass vom Zündsystem ausreichend Zündenergie an das Gemisch übertragen werden kann. Das Zusammenwirken von Gemisch- und Zündparametern entscheidet somit über die zuverlässige Entflammung. Hierzu werden in interdisziplinärer Zusammenarbeit sowohl die Einspritzung in Bezug auf Charakteristika von Ein- und Mehrfacheinspritzungen in einer Druckkammer als auch die Zündung und Entflammungseinflüsse im Versuchsmotor in Abhängigkeit verschiedener Zündsysteme in Betriebspunkten mit Ladungsschichtung grundlegend analysiert. Neben einem Serienzündsystem (TSZ), das durch eine maximale Zündenergie von EZünd,max = 100 mJ gekennzeichnet ist, werden ein parametrierbares Multifunkenzündsystem (EZünd = 50 .. ≥140 mJ) und ergänzend ein Powerzündsystem (EZünd,max = 140 mJ) in Bezug auf die Entflammungseigenschaften an einem 1-Zylinder- Forschungsmotor untersucht. Zunächst werden umfangreiche motorische Versuche durchgeführt, bei denen die verschiedenen Funkenzündsysteme Anwendung finden und für die verschiedenen Einspritzszenarien Kennwerte zur Übertragung auf die Druckkammeruntersuchungen messtechnisch erfasst werden. Ziel ist hierbei die Entflammung in Abhängigkeit des Einspritzregimes sowie der Zündparameter im Betrieb mit Ladungsschichtung zu stabilisieren und damit die Robustheit generell zu verbessern. Als Größen zur Beurteilung der Entflammungsgüte wird neben der Aussetzerrate die Varianz des indizierten Mitteldrucks betrachtet. Weiterhin werden die Zündsysteme in zwei unterschiedlichen Druckkammern mittels High-Speed-Visualisierung untersucht, um die vom Zündsystem oder dessen Parametrierung abhängige Funkenausbildung in Bezug auf eine Anströmung in der Funkenstrecke und der Interaktion mit dem Kraftstoffspray zu beurteilen und Charakteristika herauszuarbeiten. Außerdem wird bei den motorischen Versuchen ein Messverfahren zur Bestimmung des Luftverhältnisses in der Funkenstrecke untersucht. Dieses ermöglicht durch Korrelation der gemessenen Durchbruchspannungswerte des Zündsystems, die im Schicht- und Homogenbetrieb erfasst werden, auf das im Zündvolumen vorliegende Luftverhältnis im Schichtbetrieb zu schließen. Das Kraftstoffspray wird unter Druckkammerbedingungen mittels optischer Messmethoden untersucht. Im Mittelpunkt steht hierbei die Analyse des als Zündgebiet genutzten Randwirbels. Die Untersuchungen werden basierend auf einem typischen Teillastbetriebspunkt unter Variation der Anzahl der Einspritzungen, des Kammerdrucks, der Kammertemperatur sowie der Injektoransteuerdauer durchgeführt. Die globale Sprayausbreitung wird mit dem Schatten- und Schlierenverfahren mittels Hochgeschwindigkeitsvisualisierung untersucht. Im Randwirbelgebiet werden mit der Phasen-Doppler-Anemometrie sowohl Tropfendurchmesser als auch -geschwindigkeiten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung bestimmt. Es wird weiterhin ein Extinktionsmessverfahren eingesetzt, mit dem der flüssige Kraftstoffanteil im Randwirbel der Piezo-A-Düse erstmals experimentell quantitativ erfasst werden kann. Hierzu wird ein neuer Ansatz zur Berechnung des mittleren Extinktionskoeffizienten Qext entwickelt. Die Kombination der Ergebnisse aus den optischen Messungen mit den motorischen Untersuchungen trägt wesentlich zum besseren Verständnis der Entflammung beim strahlgeführten Brennverfahren bei. So kann das motorisch ermittelte Entflammungsverhalten auf die hierfür ursächlichen Gemischparameter zurückgeführt werden. Neben den experimentellen Arbeiten werden die für die Sprayzündung relevanten Einflussgrößen anhand eines aus der Literatur entnommenen phänomenologischen Modells beurteilt. Im Rahmen einer qualitativen Sensitivitätsanalyse werden die Parameter hinsichtlich verdunstungs- und reaktionskinetischer Effekte bezüglich der Gemischentflammung untersucht. Hinsichtlich der Entflammung bietet ein 2011 auf der IAA vorgestelltes Coronazündsystem neue Ansätze für weiterführende Untersuchungen. Interessant ist hierbei die neue Bauform der Zündkerzenelektrode, die aufgrund der Entladungsform (Corona- oder Streamerentladung) keine Masseelektrode in Form eines Bügels benötigt und somit u. U. eine bessere Zugänglichkeit der Entladung zum Spray bewirken kann. Im Hinblick auf das Messverfahren zur Bestimmung des Luftverhältnisses im Zündvolumen können Untersuchungen mit Einkomponentenkraftstoffen in Kombination mit einer schnellen Temperaturmessung im Zündgebiet für eine weitere Absicherung des Messverfahrens sorgen. Bezüglich der Spraycharakterisierung ist die Analyse der Rotationssymmetrie des Sprays sowie die Streuung von Injektor zu Injektor von Interesse. Weiterhin sollte die Benetzung der Zündkerzenelektroden mit flüssigem Kraftstoff untersucht werden, da diese laut Literaturangaben das Entflammungsverhalten beeinträchtigt.
Publications
- Influence of a Multispark Ignition System on the Inflammation in a Spray-guided Combustion Process. SAE-Paper 2009-24-0117, 2009
Martin Hese, Helmut Tschöke, Tobias Breuninger, Frank Altenschmidt, Harald Winter
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Andreas Kufferath, Axel Storch, Martin Hese, Helmut Tschöke
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Martin Hese, Tobias Breuninger, Helmut Tschöke, Jürgen Schmidt, Frank Altenschmidt, Uwe Schaupp, Harald Winter, Andreas Kufferath
- Zündungsuntersuchungen an einem strahlgeführten Brennverfahren mit Piezo- Einspritztechnik. Direkteinspritzung im Ottomotor VII, expert verlag, Renningen, 2009, S. 248-268
Martin Hese, Helmut Tschöke, Tobias Breuninger, Jürgen Schmidt, Frank Altenschmidt, Harald Winter
- Analyse der Spraycharakteristik einer Piezo-A-Düse für die Benzindirekteinspritzung. ProcessNet 2011, Jahrestreffen des Fachausschusses Wärme- und Stoffübertragung, 21.-22.03.2011, Frankfurt a.M.
Tobias Breuninger, Jürgen Schmidt
- Einfluss der Spraycharakteristik einer Piezo-A-Düse auf die Entflammung beim strahlgeführten Brennverfahren. Diesel- und Benzindirekteinspritzung VI, expert verlag, Renningen, 2011, S. 275-294
Tobias Breuninger, Martin Hese, Jürgen Schmidt, Helmut Tschöke, Andreas Kufferath, Frank Altenschmidt
- Optische Messungen der Spraycharakteristik einer Piezo-A-Düse unter Druckkammerbedingungen. Motorische Verbrennung, 10. Tagung, München, 2011, S. 483-494
Tobias Breuninger, Martin Hese, Jürgen Schmidt, Helmut Tschöke
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Martin Hese, Tobias Breuninger, Helmut Tschöke, Jürgen Schmidt, Frank Altenschmidt, Andreas Kufferath
- Untersuchung der Spraycharakteristik von Piezo-Injektoren in Bezug auf das Entflammungsverhalten beim strahlgeführten Brennverfahren. Dissertation, Universität Magdeburg, 2012
Tobias Breuninger
