Teilprojekt C02 Kubach/Koch

Teilprojekt C02 Kubach/Koch

Kraftstoff-Wand-Interaktion bei innermotorischer Verbrennung mit Direkteinspritzung und Hochaufladung

Motivation

Die Herausforderung in der Motorenentwicklung besteht vor allem in der gleichzeitigen Absenkung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Deshalb hat sich in den letzten Jahren das Konzept der Downsizing-Motoren als Pkw-Antrieb etabliert. Diese zeichnen sich durch Verkleinerung des Hubraumes bei gleicher Leistung aus. Zur Kompensation des verringerten Zylindervolumens kommt eine Aufladeeinheit zum Einsatz, wodurch die Motoren spezifisch höher belastet werden, was zu einer Effizienzsteigerung führt. Durch das geringere Zylindervolumen und den Einsatz der Benzindirekteinspritzung als Gemischbildungssystem kommt es bei hohen spezifischen Lasten und damit einhergehenden großen einzuspritzenden Kraftstoffmengen, vermehrt zu einer Interaktion des Kraftstoffsprays mit den begrenzenden Brennraumwänden. Diese Interaktion verursacht eine erhöhte Rußbildung, die wiederum zu unerwünschten Ablagerungen und Selbstentzündungseffekten führen kann.

Ziele

Die Kraftstoff-Wand-Interaktion bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung ist bisher nur unzureichend untersucht worden. Bestehenden Untersuchungen konzentrieren sich entweder auf globale Effekte oder einzelne Prozesse. Deshalb soll in diesem Forschungsvorhaben ein generelles Verständnis zur Auswirkung wandnaher Effekte auf die Schadstoffbildung und den Verbrennungsprozess unter motorischen Bedingungen entwickelt werden. Hierbei werden die Aspekte Gemischbildung, Strömung, Tropfen-Wand-Interaktion, Schadstoff- und Ablagerungsbildung und deren Rückwirkung auf wandnahe Effekte unter Verwendung optischer Messmethoden untersucht.

Methoden

Versuchsaufbau

Zur Untersuchung innermotorischer Prozesse ist eine gute optische Zugänglichkeit des Versuchsträgers notwendig. Für die Untersuchungen sollen zwei unterschiedliche Versuchsaufbauten zum Einsatz kommen:

1. Thermodynamischer Einzylindermotor: Im Gegensatz zu anderen optisch zugänglichen Motoren unterliegt ein thermodynamischer Einzylindermotor keinen Einschränkungen bezüglich Last und Drehzahl. Mittels endoskopischen Zugängen können optische Messungen unter realen Betriebsbedingungen durchgeführt werden.

2. Einhubtriebewerk: Durch die sehr gute optische Zugänglichkeit kommt für grundlagenorientierte Versuche ein Einhubtriebwerk zum Einsatz. Der quadratische Brennraum des Einhubtriebwerkes wird durch zwei gegenüberliegende, plane Quarzglasfenster begrenzt. Diese ermöglichen eine verzerrungsfreie Betrachtung der innermotorischen Vorgänge.

Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit und Variation der Randbedingungen können bei beiden Versuchsaufbauten Kühlmitteltemperatur, Öltemperatur und die Temperatur der angesaugten Luft konditioniert werden.

Messtechnik

Um ein generelles Verständnis der zur Auswirkung wandnaher Effekte auf die Schadstoffbildung und den Verbrennungsprozess zu entwickeln, ist die simultane Messung der relevanten Einflussgrößen notwendig. Hierzu bieten sich optische Messmethoden an, da sie eine rückwirkungsfreie Messung mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung ermöglichen. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Kolbennähe erfolgt mittels Particle-Image-Velocimetry (PIV) und Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) im Submillimeterbereich. Durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera kann unter Verwendung von Schattenrissverfahren und Streulichtmethoden die Interaktion des Kraftstoffsprays mit dem Kolben untersucht werden. Mittels eines Hochgeschwindigkeits-Bildverstärkers wird der Einfluss der Ablagerungen auf das Heranbrennen der Flamme an die Brennraumwand durch die Messung von OH-Radikalen visualisiert. Der während der Verbrennung gebildete Ruß wird unter Verwendung der Zweifarbenmethode gemessen. Die Resultate dienen dem Mechanismenverständnis und als Eingangsgröße für generische Versuchsstände und die Modellbildung.

Abbildung 1: Versuchsaufbau - Einhubtriebwerk (links) und Einkopplung eines Laserstrahls in einen Verbrennungsmotor (rechts).
Abbildung 1: Versuchsaufbau – Einhubtriebwerk (links) und Einkopplung eines Laserstrahls in einen Verbrennungsmotor (rechts).