Grundlagenuntersuchungen zur Homogenisierung der Zylinderladung bei der Common-Rail-Einspritzung für PKW Dieselmotoren mittels optischer Messmethode
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Erreichung der zunehmend verschärften Abgasgrenzwerte für Verbrennungsmotoren verlagert sich der Fokus der Entwicklung zusehends auf nachmotorische Abgasreinigung durch Partikelfilter oder DeNOx-Katalysatoren. Diese Systeme sind allerdings mit Zusatzkosten und einem Verbrauchsnachteil verbunden. Ganz anders verhält sich die Situation bei innermotorischen Konzepten. Deren Potentiale sind bei weitem noch nicht ausgeschöpft, wie die Weiterentwicklung des Dieselbrennverfahrens zeigt. Insbesondere die homogene Dieselverbrennung stellt in diesem Zusammenhang einen viel versprechenden Ansatz zur gleichzeitigen Reduktion von Ruß und NOx-Emissionen dar. Um allerdings die Zündbedingungen für eine kontrollierte homogene Selbstzündung gezielt einzustellen und diese für einen breiten Lastbereich zu gewährleisten, bedarf es eines vertieften Verständnisses über die im Brennraum ablaufenden Prozesse. Hierzu sind grundlegende Untersuchungen notwendig, um den Einfluss der unterschiedlichen Motorparameter zu charakterisieren. Optische Messtechniken stellen diesbezüglich ein wertvolles Werkzeug dar, da sie den direkten Blick in den Brennraum ermöglichen und eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste, nicht invasive Analyse der darin ablaufenden Prozesse ermöglichen. Bei bisherigen Untersuchungen an Transparentmotoren wurden die unterschiedlichen optischen Messtechniken jeweils separat eingesetzt. Dadurch ist es aber nur schwer möglich, die Zusammenhänge zwischen Einspritzung, Verdampfung, Zündung, Verbrennung und Schadstoffbildung in ihrem Zusammenspiel richtig zu erfassen. Eines der Hauptziele des Projektes bestand daher darin, eine Messtechnik zu entwickeln, die es erlaubt, die Teilprozesse der einzelnen Glieder der dieselmotorischen Wirkkette gleichzeitig zu erfassen und dadurch ihre komplexe Interaktion zu charakterisieren. Im ersten Teil dieses Projektes (51-1) wurde zunächst in Kammeruntersuchungen eine Charakterisierung von sich in der Spritzlochgeometrie unterscheidenden Einspritzdüsen durchgeführt. Als Messtechniken wurden hier die Mie-Streulichttechnik zur qualitativen Flüssigphasendetektion und die lineare Raman-Spektroskopie zur quantitativen Bestimmung des Kraftstoff/Luftverhältnisses eingesetzt. Obwohl die Ergebnisse aus diesen Messungen interessante Informationen zum Einfluss des Durchflussbeiwerts auf das Einspritzverhalten lieferten, wurde in dieser Projektphase schön sehr bald der Schwerpunkt der Untersuchungen auf den Transparentmotor gelegt, da dieser vor allem eine realitätsnähere Betrachtung von Zündung und Verbrennung erlaubte. Am optisch zugänglichen Motor wurde schließlich eine Kombination aus vier optischen Messtechniken aufgebaut. Diese ermöglichte die simultane Detektion der sich ausbreitenden flüssigen Kraftstoffphase durch die Mie-Streulichttechnik, der Zündung und mageren Verbrennung durch Aufnahme des Flammenleuchtens im ultravioletten Spektralbereich (EL_UV), der fetten, rußenden Verbrennungszonen durch Erfassung des thermisch angeregten Rußleuchtens im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts (EL-VIS) sowie die Bestimmung der Russverteilung in einer zweidimensionalen Ebene im Brennraum mit Hilfe der laserinduzierten Glühtechnik (LII) im selben Motorzyklus. Die mit dieser Simultanmesstechnik untersuchten Betriebspunkte wurden zusätzlich ebenfalls wieder mit der linearen Ramanstreuung analysiert, um quantitative Informationen über das Kraftstoff/Luftverhältnis im Brennraum zu erhalten. Hierbei wurde die lineare Raman-Spektroskopie erstmalig an einem direkt einspritzenden Dieselmotor zur Bestimmung des lokalen Kraftstoff/Luftverhältnisses eingesetzt. Auch für die simultane Anwendung von vier optischen Messtechniken an einem Motor, mit der erzielten hohen Qualität der Ergebnisse, sind bisher keine Untersuchungen bekannt. Durch die kurbelwinkelaufgelöste Erfassung des Druckverlaufs im Brennraum sowie weiterer Motorsignale ist eine Korrelation zwischen Indizierdaten und den Ergebnissen der optischen Messtechniken möglich, wodurch direkte Rückschlüsse auf den Motorlauf gezogen werden können. In den Messungen zeigte sich, dass für die Spritzlochvariation eine Erhöhung des Durchflussbeiwertes unter Beibehaltung des hydraulischen Durchflusses zu einer Impulssteigerung des eingespritzten Kraftstoffs führt. Dies bewirkt eine Erhöhung der Eindringgeschwindigkeit sowie einen Sprayaufbruch in düsenferneren Regionen. Dieses Verhalten war zuvor auch in der Kammer beobachtet worden. Im Motor wirkt sich dies insofern positiv aus, da so der Kraftstoff schneller in den dralldominierten Muldenrandbereich gelangt und dort eine effektivere Aufbreitung des Kraftstoff/Luftgemisches durch die starke Luftbewegung erfolgt. Durch die erhöhte Vormischung zündet das Gemisch schneller und gleichmäßiger durch und verringert somit die Rußemission. In einem weiteren Schritt wurde der Drall im Brennraum durch Abschattung eines Ansaugkanals erhöht, wodurch die Ladungsdurchmischung nochmals merklich verbessert werden konnte. Die Parameter Spritzlochgeometrie und Drall wurden für Betriebspunkte mit Vorund Haupteinspritzung untersucht. Aus den Untersuchungen wurde ein Modell entwickelt, das eine übersichtliche Darstellung der Ergebnisse erlaubt, wodurch ein schneller Vergleich der Auswirkungen unterschiedlicher Parameter möglich ist. Allgemein zeigte sich, dass die Vormischung der Ladung im Brennraum sowohl durch die Spritzlochgeometrie als auch die Ladungsbewegung merklich beeinflusst werden kann. Bei früher Einspritzung zur Erzeugung eines noch weiter vorgemischten Kraftstoff/Luftgemisches müssen allerdings geeignete Maßnahmen unternommen werden, die eine verfrühte Zündung und somit eine Beschädigung des Motors vermeiden. Aus diesem Grund wurde im zweiten Teil des Projekts eine Abgasrückführung (AGR) am Transparentmotor appliziert. Mittels AGR lässt sich der Zündverzug des Kraftstoff- Luftgemisches im Brennraum sowie die Verbrennungstemperatur beeinflussen, so dass sie zum einen zur Steuerung der Zündung eines stark vorgemischten Kraftstoff-Luft-Gemisches verwendet werden kann, zum anderen ist sie ein bei konventionellen Dieselverfahren bereits etabliertes Mittel zur Reduzierung der NOX-Emissionen. In Anbetracht der viel versprechenden Ergebnisse der Untersuchungen im ersten Teilprojekt wurden im zweiten Teilprojekt Einspritzdüsen mit reduziertem Kegelwinkel eingesetzt. Der gegenüber den konventionellen Diesel-Düsen reduzierte Kegelwinkel ist notwendig, um bei sehr frühen Einspritzungen eine Benetzung der Zylinderwand mit Kraftstoff zu verhindern, da dies, abgesehen von der Verschlechterung der Gemischbildung zum Abwaschen des Schmierölfilmes und somit einer Beschädigung des Motors führen könnte. Des weiteren wurde die Simultanmesstechnik um die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) ergänzt, um parallel zu den bisherigen Aussagen über die Verteilung des flüssigen Kraftstoffs, Zündung, Orte magerer und fetter Verbrennung sowie Rußverteilung eine zweidimensionale Information über die Verteilung der gasförmigen Kraftstoffphase zu erhalten. Zusammenfassend konnten folgende Ergebnisse aus den Messungen erzielt werden: • Der Einspritzbeginn muss sehr sorgfältig in Abstimmung mit der verwendeten Einspritzdüse bzw. des vorliegenden Höhenwinkels gewählt werden. Ein zu früher Einspritzbeginn führt zu einem Kraftstoffeintrag in Bereiche oberhalb der Brennraummulde (Zylinderwandung, Feuersteg und Quetschspalt). Ein ausreichender Rücktransport des Brennstoffs in die Brennraummulde durch die Ladungsbewegung konnte nicht festgestellt werden. In diesen Bereichen ist eine effektive und vollständige Verbrennung nicht möglich und dementsprechend ist hier von einer erhöhten Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen auszugehen. Ein zu später Einspritzbeginn kann bei Düsen mit auf frühe Einspritzung angepasstem Höhenwinkel zu einem übermäßigen Wandauftrag in der Brennraummulde führen. Im vorliegenden Fall ergab sich dadurch eine Verschlechterung des Verbrennungsprozesses, was ebenfalls eine erhöhte HC-Emission erwarten lässt. • Für Einzeleinspritzungen ist der Verbrennungsschwerpunkt vorwiegend im Zentrum der Verbrennungskammer zu finden. Hier führt der hohe Einspritzimpuls verbunden mit einer intensiven Strahl-Wand-Interaktion zu einer verbesserten Gemischaufbereitung und einem Rücktransport des Luft-Kraftstoffgemisches in Richtung Brennraummitte. o Bei Mehrfacheinspritzungen verlagert sich der Verbrennungsschwerpunkt stärker in den Randbereich der Brennraummulde. Der reduzierte Einspritzimpuls führt zu einem verringerten Rücktransport und dementsprechend verbleibt der Kraftstoff in Wandnähe. Ein verstärkter Einfluss des Dralls konnte nicht festgestellt werden. • Der Verdampfungsprozess des Kraftstoffs muss mit Beginn der Verbrennung abgeschlossen sein. Anderenfalls kommt es zu einer ungünstigen nicht-vorgemischten, rußenden Verbrennung. o Die Verwendung von Kraftstoff mit einem schmäleren und niedrigeren Siedebereich kann hier Abhilfe schaffen, da hierdurch der Verdampfungsprozess beschleunigt wird. o Eine sichtbar bessere Kraftstoffdampfverteilung konnte bei der Verwendung der 12- Loch-Düse mit unterschiedlichen Höhenwinkeln im Vergleich zur 8-Loch-Düse nicht beobachtet werden. o Der Verbrennungsprozess beginnt nach wie vor an einzelnen lokalen Punkten und nicht gleichzeitig an allen Stellen des Brennraums. Der Grund hierfür findet sich in Konzentration- bzw. Temperaturgradienten im Brennraum. o Die Verbrennungssignale zeigen eine starke Inhomogenität in der Intensitätsverteilung. Mit steigender Gemischaufbereitungszeit konnte aber eine Abnahme der Gradienten beobachtet werden. Gleichzeitig sank auch die maximale Verbrennungssignalintensität. o Im Vergleich zu konventionellem Dieselbetrieb aus früheren Messungen kann eine bessere Ausnutzung der Brennraummulde beobachtet werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen deutlich, dass die eingesetzte Simultanmesstechnik hervorragend geeignet ist, systematische Unterschiede im Prozessablauf mit einer hohen zeitlichen und örtlichen Auflösung darzustellen. Dies erlaubt somit einen verhältnismäßig schnellen qualitativen Überblick zu den jeweiligen Parametereinflüssen. Im weiteren Verlauf des Projektes waren zudem realmotorische Untersuchungen geplant. Hierfür wurde für ein Seriendieselaggregat ein endoskopischer Zugang mit gekühltem Endoskopadapter konzipiert und an einem der Auslassventile appliziert. Für die Applikation des Adapters war eine weitreichende mechanische Nachbearbeitung des Zylinderkopfes notwendig. Aufgrund eines im Vorfeld nur schlecht absehbaren und in der späteren Anwendung nicht behebbaren Dichtungsproblems zwischen den Kühl- und Ölkanälen des Zylinderkopfes war ein Betrieb des Motors nicht möglich. Aus diesem Grund wurden die geplanten Endoskopuntersuchungen am dafür modifizierten Transparentmotor erfolgreich durchgeführt, um die Entwicklung dieser minimalinvasiven Messtechnik voranzutreiben. Die Messungen haben gezeigt, dass sich auch mit dem Endoskop eine gute örtliche und zeitliche Auflösung der OH-Chemilumineszenz im Brennraum realisieren lässt. Die Anwendung im Realmotor und eine weitere Optimierung dieser Messtechnik sind für zukünftige Untersuchungen geplant. Auch die in diesem Projekt entwickelte Simultanmesstechnik soll in Zukunft weiter für die Betriebspunktcharakterisierung eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analyse der dieselmotorischen Wirkkette mit qualitativen und quantitativen optischen Messverfahren; A. Leipertz (Hrsg.): Motorische Verbrennung – Aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze (VII. Tagung); München 15.-16.03.2005, BEV-Schriftenreihe; Heft 5.1; S. 199- 210; ESYTEC, Erlangen (2005)
M. Taschek; P. Koch; J. Egermann; A. Leipertz
- Einsatz laserbasierter Messtechniken zur Untersuchung der Sprayausbreitung, Verbrennung und Rußentwicklung in einem PKW DI-Dieselmotor. VDI Berichte, 2005, Vol. 1888, S. 127 – 134
P. Koch, M. Taschek, J. Egermann, A. Leipertz
- Quantitative Analyse des wandnahen Gemischbildungsprozesses in einem PKW-DI-Dieselmotor mittels linearer Raman-Spektroskopie; A. Leipertz (Hrsg.): Motorische Verbrennung – Aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze (VII. Tagung); München 15.-16.03.2005, BEV-Schriftenreihe; Heft 5.1; S. 111-122; ESYTEC, Erlangen (2005)
J. Egermann; M. Taschek; S. Schwarz; A. Leipertz
- Quantitative Analysis of the Near-Wall Mixture Formation in a Passenger Car DI Diesel Engine Using Raman Spectroscopy. Applied Optics, Vol. 44, No. 31, 2005, p. 6606-6615
M. Taschek; J. Egermann; S. Schwarz; A. Leipertz
- Simultaneous optical diagnostics of HSDI Diesel combustion processes. SAE Technical Paper Series No. 2005-01-3845 (2005)
M. Taschek; P. Koch; J. Egermann; A. Leipertz
- Untersuchung der Russbildung im Dieselmotor, A. Leipertz (Hrsg.): Motorische Verbrennung – Aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze (VIII. Tagung); München 15.-16.03.2007, BEV-Schriftenreihe; Heft 7.1; S. 69-80; ESYTEC, Erlangen (2007)
P. Koch, R. Sommer, A. Leipertz, M. Taschek
- Influence of Different Fuels on Partially Premixed Combustion Inside a Common Rail DI-Diesel-Engine. The Seventh International Conference on Modeling and Diagnostics for Advanced Engine Systems (COMODIA 2008), Sapporo/Japan, p. 313 – 320, 2008
M. Schmid, P. Koch, M. Wensing, A. Leipertz
- Optical Investigations on Partially Premixed Diesel Combustion for Different Operating Parameters. SAE Technical Paper Series No. 2008-01-0041 (2008)
M. Schmid; M. Kaiser; P. Koch; M. Wensing and A. Leipertz
- Untersuchung des Gemischbildungs- und Verbrennungsverhaltens eines DI-Dieselmotors unter teilhomogenen Bedingungen. Dissertation, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2009
Marcus Schmid
