Untersuchung der Ursachen des vereinzelt auftretenden Phänomens klopfender Verbrennung mit extrem hohen Druckamplituden (Extremklopfer)
Final Report Abstract
Die klopfende Verbrennung ist seit Bestehen des ottomotorischen Wirkprinzips eines der am intensivsten erforschten Einzelphänomene. Sowohl die Gefahr der Motorschädigung, die von unkontrolliertem Klopfen ausgeht, als auch seine wirkungsgradmindernde Eigenschaft hat Generationen von Forschern und Entwicklern dazu motiviert ein tiefgehendes Verständnis über das Klopfen zu erarbeiten. Ziel ist es dabei bis heute, geeignete Maßnahmen abzuleiten, die den klopffreien Betrieb des Motors bei einem möglichst günstigen thermodynamischen Wirkungsgrad erlauben. Die Anti-Klopf- Regelung nutzt hierbei den Zusammenhang zwischen frühen Zündzeitpunkten und der Klopfneigung, um bei einsetzendem Klopfen die Zündung in unkritische, spätere Kurbelwinkelbereiche zu verstellen. Anschließend wird der Zündzeitpunkt sukzessive wieder in Richtung früherer Kurbelwinkel verschoben, bis die Sensoren erneut Klopfen detektieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Sonderart der klopfenden Verbrennung in modernen Ottomotoren, die auf Grund der hohen Schädigungsrelevanz als Extremklopfen bezeichnet wird. Die Ursachen für extremklopfende Arbeitsspiele wurden unter Einsatz sowohl messtechnischer als auch numerischer Methoden systematisch identifiziert. Als grundlegende Messgröße wurde der Verlauf des Drucksignals in einem ausgewählten Zylinder analysiert. Die beim Motorklopfen auftretenden Druckwellen induzieren gasdynamische Prozesse innerhalb des Brennraums, so dass die thermodynamischen Zustandsgrößen räumlich inhomogen vorliegen. Der gleichzeitige Einsatz mehrerer Drucksensoren sollte mit Hilfe einer Analyse der Ankunftszeiten von Druckwellen Aufschluss über den Klopfort geben. Zunächst wurde der Einfluss der Drucksensorposition und Sensorbauart auf die Interpretierbarkeit der Ergebnisse ermittelt. Dabei stellte sich heraus, dass sowohl die Spektren der hochfrequenten Klopfoszillationen als auch deren Amplituden maßgeblich von den Sensorparametern abhängen. Schusskanäle, die bei ungekühlten Drucksensoren auf Grund der Frontdichtung zwangsläufig auftreten, führen unweigerlich zu so genannten Pfeifenschwingungen, die sich dem Drucksignal überlagern. Des weiteren kann es durch Reflexion von Druckwellen an den Brennraumwandungen zu einer lokalen Aufsteilung der Klopfamplitude kommen, die nicht zwangsläufig in der ersten Schwingungsphase auftreten muss. Lediglich die erste, primäre Druckwelle, die von Klopfzentren ausgesandt werden, können somit für die Bestimmung der Ankunftszeitpunkte und somit des Klopfortes heran gezogen werden. Die Beurteilung der Klopfcharakteristik von Referenzbetriebspunkten erfolgte anhand von Bewertungsmodi, denen zum einen das so genannte "mittlere Klopfverhalten" und zum anderen das "zyklische Klopfverhalten" zugrunde gelegt wurden. Die Untersuchung des mittleren Klopfverhaltens wurde mit Hilfe eines statistischen Ansatzes durchgeführt. Dazu wurde bei einer Variation des Zündzeitpunktes die relative Häufigkeit von Arbeitsspielen mit tolerierbaren sowie kritischen Klopfamplituden ermittelt. Mit der Einführung verschiedener Kenngrößen (Klopfgrenze, Schädigungsgrenze, Sicherheitsbereich) konnte eine Beurteilung der untersuchten Betriebspunkte auf Basis ihrer Schädigungsrelevanz erfolgen. Dabei zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit von der Motordrehzahl, demzufolge für den untersuchten Motor bei mittleren Drehzahlen ein durch die Klopfregelung beherrschbares Klopfverhalten vorlag, wohingegen hohe Drehzahlen extremes Klopfverhalten begünstigten. Der Zusammenhang zwischen den Änderungen thermodynamischer Zustandsgrößen und der Klopfcharakteristik bei Variation des Zündzeitpunktes wurde mit einem thermodynamischen Ansatz aufgezeigt. Hierzu wurde die Zündverzugszeit als maßgebliche Größe der Selbstzündung für unterschiedliche Zündzeitpunkte berechnet. Es zeigte sich, dass eine Variation des Zündzeitpunktes die Zündverzugszeiten bei hohen Drehzahlen deutlich stärker beeinflusst als bei mittleren Drehzahlen. Die Sensitivität der Zündverzugszeit auf eine Verstellung des Zündwinkels, so wie sie von der Klopfregelung permanent vollzogen wird, hat demnach wesentlichen Einfluss auf das resultierende, mittlere Klopfverhalten. Zusätzlich zur Bewertung des mittleren Klopfverhaltens wurde das so genannte zyklische Klopfverhalten analysiert, um die maßgeblichen Einflussgrößen innerhalb eines Arbeitsspiels auf die Ausprägung klopfender Verbrennung zu identifizieren. Im Fokus stand dabei die Untersuchung zyklusaufgelöster, brennrauminterner Prozesse mit Hilfe messtechnischer und numerischer Verfahren. Die räumliche Verteilung der potenziellen Klopfentstehungsorte wurde mit Hilfe der unterschiedlich angeordneten Drucksensoren durch Analyse der eindeutig identifizierbaren Amplitude der ersten Druckwelle bestimmt. Darüber hinaus wurden insgesamt neun Einzellichtleiter vertikal in den Zylinderkopf verbaut, um die horizontale Flammenausbreitung messtechnisch zu erfassen. Der Vergleich zwischen den detektierten Klopfzentren gemessener Arbeitsspiele sowie den dazugehörigen Flammenausbreitungsprofilen bestätigte die Annahme, dass klopfende Verbrennung bevorzugt in Brennraumregionen mit deutlich ausgeprägten Endgasbereichen eingeleitet wird. Die untersuchten Referenzbetriebspunkte unterschieden sich voneinander gleichermaßen bezüglich der Klopfentstehungsorte sowie der Flammenausbreitung. Zur Stützung dieser Erkenntnis wurden die thermodynamischen Zustandsgrößen mit Hilfe dreidimensionaler Simulationsrechnungen unter Berücksichtigung des Strömungsfeldes, der Gemischbildung und der Verbrennung bestimmt. Die berechnete Temperaturverteilung im Brennraum zum Klopfzeitpunkt zeigte dabei deutliche Übereinstimmungen mit den zuvor experimentell ermittelten Klopfentstehungsgebieten. Die zyklische Schwankungsbreite der primären Flammenausbreitung, der Zylinderströmung und der Gemischbildung stellt demnach eine wesentliche Einflussgröße auf die Klopfgrenze und das Klopfverhalten dar. Die hier durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass kleinste Unregelmäßigkeiten in der Entflammungsphase zu veränderten Endgaslagen und damit zu extremen Klopfamplituden führen können. Die direkte Visualisierung der Chemolumineszenz, die während der chemischen Reaktion in Selbstzündungsprozessen bei extrem klopfendem Motorbetrieb auftritt, sollte eine zusätzliche Verifizierung der Schlussfolgerungen liefern. Die von den Klopfherden ausgehende, utraviolette Strahlung wurde mit Hilfe eines hochempfindlichen Kamerasystems und einem an den Brennraum adaptierten Lichtleiterendoskops erfasst. Die Messungen ergaben, dass sich in extrem klopfenden Arbeitsspielen durchaus verschiedene Ausbreitungsmechanismen der Klopfreaktionsfronten ausbilden können. Demnach kann davon ausgegangen werden, dass das Phänomen Extremklopfen nicht an einen speziellen Ausbreitungsmechanismus gebunden ist.
Publications
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Rothe M., Han K.-M. und Spicher U.: "Untersuchungen zur Ursache für Extremklopfen bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung", 15. Aachener Kolloqium, Eurogress Aachen, 2006
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Rothe M., Heidenreich, T., Schubert A. und Spicher U.: "Knock Behavior of SI-Engines: Thermodynamic Analysis of Knock Onset Locations and Knock Intensities", SAE World Congress, SAE Technical Paper 2006-01-0225, 2006
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Rothe M., Schubert A. und Spicher U.: "Thermodynamischer Ansatz zur Bewertung des Klopfverhaltens von Ottomotoren in der Volllast", 7. Internationales Symposium für Verbrennungsdiagnostik, Baden-Baden, 2006
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Rothe M., Spicher U.: "Investigations on the Orign of Extreme Knocking in SI Engines" AutoTechology 1/2007
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Rothe M.: "Experimentelle und numerische Analysen zum Klopfverhalten von Ottomotoren unter Volllastbedingungen", Dissertation, Universität Karlsruhe (TH), Logos Verlag (2008)
