Indiziertechnik an Verbrennungsmotoren

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1 Indiziertechnik an Verbrennungsmotoren Die Vorlesung Indiziertechnik an Verbrennungsmotoren soll einen Überblick über verwendete Messtechniken, notwendige Theorien zur Auswertung und die Koppelung mit anderen schnellen Messverfahren geben, um einen möglichst umfassenden Einblick in das Brennverhalten von Motoren zu bekommen. Inhalte: Bedeutung der Zylinderdruckindizierung Aufbau von Drucksensor und Messkette Thermodynamische Zusammenhänge Bestimmung der Kolben-OT-Lage Datenvorbehandlung Nullpunktkorrektur der Messdaten Bestimmung des Restgasanteiles Schnelle Auswertemethoden Kopplung mit anderen schnellen Messverfahren Die Bedeutung der Zylinderdruckindizierung Die Zylinderdruckindizierung ist die Messung des Druckes im Zylinder in Abhängigkeit vom bei allen nur denkbaren Betriebsbedingungen des Motors. Durch eine thermodynamische Auswertung der Daten ist es möglich umfangreiche Informationen zu erhalten die den Entwicklungsprozess drastisch verkürzen, oder aber eine Forschungsarbeit überhaupt erst möglich machen. Bewertet werden z.b.: Brennverhalten für die Brennraumbeurteilung Ladungswechselbeurteilung Erkennen klopfender Verbrennungen Gemischbilungsuntersuchungen (z.b. Verbrennungs-Aussetzererkennung) Gleichförmigkeitsuntersuchungen der Einzelzylinder usw. Kennwerte die direkt aus den Indizierdaten p(α) gewonnen werden: Streubreite des Zylinderdruckes der Zyklen und Zylinder untereinander zur ersten Beurteilung der Verbrennungsstabilität Niveau und Lage des maximalen Druckes im Zylinder z.b. im Hinblick auf die mechanische Belastung von Zylinderkopf und Dichtung Klopfende Verbrennung (lässt sich aus dem Signal direkt ablesen) z.b. wegen der Applikation des Zündkennfeldes Indizierte Arbeit aufgeteilt in Hochdruck- und Niederdruckanteil: Hochdruckanteil z.b. zur Zündaussetzererkennung oder aber zur Beurteilung der Gleichlaufqualität Niederdruckteil z.b. zur Ladungswechselbeurteilung Niveau und Lage des maximalen Druckgradienten im Zyklus z.b. zur Beurteilung der Verbrennungsgeräusche des Motors Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 Einige Beispiele für Ergebnisse der Zylinderdruckindizierung Mittelwert aller Zyklen Mittelwert + Std.-Abw. Mittelwert - Std.-Abw. Maximalwertkurve Minimalwertkurve 4 Zylinderdruck in bar Das vorstehende Diagramm zeigt den Zylinderdruckverlauf eines Ottomotors über dem für 2 nachfolgende Zyklen. Hierbei sind nicht alle 2 Arbeitsspiele aufgetragen sondern die entsprechende Statistik der Zylinderdruckdaten und zwar in der Form Mittelwert aller Daten, Mittelwert plus/minus Standardabweichung ( 68% Vertrauensbereich) sowie des Streubandes in Form der maximalen und minimalen Werte für jede Stellung der Kurbelwelle im gewählten Inkrement (typischerweise 1 ) der Messung. Auf diese Weise liegen alle Informationen über die gemessenen Werte in detaillierter und gut überschaubarer Form vor. Die nächste Betrachtung gilt der Darstellung der klopfenden Verbrennung im Ottomotor. Die genaue Erkennung klopfender Verbrennungen ist sehr wichtig, da dieses Verbrennungsphänomen in extrem kurzer Zeit zur vollständigen Zerstörung des Motors führen kann. Die klopfende Verbrennung und deren Eigenschaften: Klopfende Verbrennungen sind unkontrollierte und nicht gewollte, plötzliche Entflammungen des Gemischrestes im Brennraum. Eine geordnet ablaufende Verbrennung wandelt sich plötzlich in eine Detonation, dabei steigt die Verbrennungsgeschwindigkeit von ca. 25 m/sec auf bis zu 1 m/sec an. Die durch die Detonation erhöhte Ladungsbewegung führt zu einem intensiven Wärmeübergang an die Bauteile und damit zur Bauteilüberhitzung (Kolben, Zyl.-Kopf usw.). Die Klopfamplituden des Zylinderdruckes führen zusätzlich zu einer mechanischen Belastung der überhitzten Bauteile. Aluminiumkolben beispielsweise werden durch Überhitzung weich und in Folge dessen mechanisch zerstört. Klopfende Verbrennungen (>2-3%) bei höherer Motordrehzahl (>15 U/min) führen fast immer zu kapitalen Motorschäden und die Schäden stellen sich sehr schnell ein. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Klopfende Verbrennungen sind bei den meisten Motoren deutlich hörbar wenn von allen Verbrennungen etwa 2% dieser unkontrollierten Verbrennungen vorliegen. Wenn ein optischer Zugang am Motor vorhanden ist, dann sind klopfende Verbrennungen meist durch ein sehr helles Verbrennungsleuchten zu erkennen Der Bereich der klopfenden Verbrennung ist in diesem Beispiel durch die überlagerten, hochfrequenten Druckschwingungen charakterisiert, also etwa im Bereich von ca. 37 bis etwa 42. Typische Klopffrequenzen liegen in einem Bereich von ca khz. Wenn Klopfen auftritt, dann steigt die Verbrennungsgeschwindigkeit von normalerweise ca. 25 m/sec auf ca. 5 m/sec an. Klopfende Verbrennungen können aber durchaus auch andere Erscheinungsformen haben. Ein Beispiel ist der nachfolgenden Darstellung zu entnehmen. Es handelt sich hierbei um einen hoch aufgeladenen Ottomotor mit Extremklopfen. Charakteristisch für solche Ereignisse ist ein sporadisches und seltenes Auftreten, die Druckspitzen sind extrem hoch und ein solches Ereignis kann genügen um den Motor dauerhaft zu schädigen. Es ist also unbedingt zu vermeiden. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 Ein Beispiel für solch ein extremes Klopfereignis ist dem vorstehenden Diagramm zu entnehmen. Das pv-diagramm und die indizierte Arbeit Die weiteren Ausführungen gelten der Darstellung des Zylinderdruckes im pv-diagramm und der Berechnung und Aufteilung der indizierten Arbeit. Die Darstellung des Zylinderdruckes im pv-diagramm kommt der Vorstellung eines thermodynamischen Kreisprozesses, der im Motor abläuft, sehr entgegen und eignet sich auch zu einer geometrischen Deutung der indizierten Arbeit. Zunächst soll das pv-diagramm eines Teillastpunktes betrachtet werden. Analog zu den Betrachtungen der Thermodynamikgrundlagen, stellt jeweils die eingeschlossene Fläche die Arbeit des Kreisprozesses dar. In dem nachstehenden Fall wird unterschieden zwischen der Arbeit des Hochdruckteils, also der geschlossenen Phase des Motors und dem Niederdruckteil, also der Ladungswechselphase des Motors. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 25 p-v Diagramm eines Teillastpunktes 2 Zylinderdruck in bar 15 1 Die eingeschlossene Fläche ist die indizierte Hochdruckarbeit 5 Die eingeschlossene Fläche ist die Ladungswechselbzw. die indizierte Niederdruckarbeit Zylindervolumen in l Zum Vergleich wird im nächsten Diagramm ein Beispiel für einen volllastnahen Betriebspunkt dargestellt p-v Diagramm eines volllastnahen Betriebspunktes 35 Zylinderdruck in bar Zylindervolumen in l Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 Vergleich der Ladungswechselschleife der beiden Betriebspunkte. 2. L a d u n g s w e c h s e ls c h l e if e e i n e s T e i ll a s tp u n k t e s 1. 5 Zylinderdruck in bar Ladungswechselarbeit Z y l in d e r v o l u m e n in l 2. L a d u n g s w e c h s e l s c h l e i f e e i n e s v o l l l a s t n a h e n B e t r i e b s p u n k t e s 1. 5 Zylinderdruck in bar Ladungswechselarbeit Z y li n d e r v o l u m e n i n l Die Berechnung der gesamten indizierten Arbeit des Motors. w i 1 = V H V _ 72 V _ p dv Sinngemäß stellt diese Gleichung das Ringintegral und damit die Arbeit vom realen Kreisprozess dar. Dieses Integral lässt sich auch in die Teilbereiche Hochdruck- und Niederdruckarbeit aufteilen, um damit die Ladungswechselverluste und den Erfolg der Verbrennung getrennt beurteilen zu können. Hierbei sind grundsätzlich zwei Wege möglich. Zum einen lässt sich eine Aufteilung im Hinblick auf den Kreuzungspunkt im pv-diagramm vornehmen, zum anderen ist es möglich die unteren Totpunkte (18 / 54 ) als Integrationsgrenzen zu benutzen. Die numerischen Unterschiede sind vergleichsweise gering, so dass beide Betrachtungen zulässig sind. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

7 Hochdruckarbeit: w ihd 1 = V H V _ 54 V _18 p dv Niederdruckarbeit: w ind 1 = V H V _18 p dv V _ 54 Bei der Definition des Ladungswechsel-OT wird in diesem Fall die indizierte Niederdruckarbeit aus den Daten zweier verschiedener Zyklen errechnet. Erst durch eine Bereichsaufteilung werden die Daten aus dem gleichen Zyklus verwendet. Da die Daten entsprechend der Definition Zünd-OT bei 36 und Ladungswechsel-OT bei / 719 aufzeichnet werden ist die zweite Darstellung sinnvoller. w ind V _18 V _ 72 1 = p dv + p dv VH V _ V _ Indizierte Arbeit in J/cm** Indizierte Arbeit (gesamt) Hochdruckarbeit Ladungswechselarbeit ( Zyl.1 ) ( Zyl. 2 ) ( Zyl. 3 ) ( Zyl. 4 ) Zyklus Das vorstehende Diagramm zeigt den Verlauf der indizierten Arbeiten für jeweils 5 aufeinanderfolgende Arbeitsspiele der 4 Zylinder eines Motors, aufgeteilt nach der indizierten Hochdruckarbeit, der Ladungswechselarbeit und der indizierten Arbeit des gesamten Arbeitsspieles. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7

8 Informationen die über thermodynamische Modelle aus den Indizierdaten gewonnen werden Der Heizverlauf mittels eines stark vereinfachten thermodynamischen Modells Die Energieumsetzung mit Hilfe eines vollständigen thermodynamischen Modells die Energieumsetzungsrate als direktes Ergebnis die Energieumsetzung als Integral der Energieumsetzungsrate Die Dauer der Entflammungsphase der Verbrennung Die 5% Energieumsatzlage der Verbrennung (5% Massenumsatz) Die Dauer der Hauptumsetzung und damit die Geschwindigkeit der Verbrennung Die Länge der Nachbrennphase und der Ausbrenngrad Der Restgasanteil im Zylinder Die Verbrennungstemperatur während der Verbrennung 3.5 Max. Energieumsetzungsrate Energieumsetzungsrate in 1/rad ZZP Zünd-OT Mittelwert Mittelwert + Std.-Abw. Mittelwert - Std.-Abw. Maximalwertkurve Minimalwertkurve Das vorstehende Bild zeigt den Verlauf der Energieumsetzungsrate für 2 nachfolgende Zyklen eines Motors. Es wurde wieder die zuvor für den Zylinderdruckverlauf gewählte statistische Darstellungsform gewählt. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Energieumsetzung als Ergebnis der Integration der Energieumsetzungsrate sowie die damit verbundenen charakteristischen Punkte, die für eine Beurteilung der Verbrennung typischerweise gewählt werden. Auch hier wurde die gleiche Form der statistischen Darstellung gewählt. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 8

9 Nachbrennphase Energieumsatz in kg/kg Mittelwertkurve Mittelwertkurve + Std.-Abw. Mittelwertkurve - Std.-Abw. Maximalwertkurve Minimalwertkurve Entflammungsphase ZZP bis 1% Energieumsatz Schwerpunktlage 5% Energieumsatz.1. Zünd-OT 9% Energieumsatz Hauptumsetzung 1%-9% Die Entflammungsphase charakterisiert die Entflammungsbedingungen an der Zündkerze und ist somit ein Indikator für die brennrauminterne Gemischbildung. Die 5% Lage der Energieumsetzung sollte typischerweise ca. 1 nach ZOT liegen. In diesem Fall hat der Motor die besten Einstellwerte für guten Kraftstoffverbrauch und hohes Drehmoment. Die Nachbrennphase zeigt letztendlich in welchem Umfang der eingebrachte Kraftstoff verbrennt. Das nachfolgende Bild zeigt den Verlauf der Mittelwertkurven der Zylinderdruckindizierung für den Druck und die Massenmitteltemperatur für den befeuerten und den gerechneten, geschleppten Zustand ohne Verbrennung. Da für den Wärmeübergang im Brennraum der Zustand des geschleppten Motors ohnehin mitgerechnet werden muss, bietet sich diese Auftragung als eine Art Kontrollbild an. Bei einer gültigen Messung muss der gerechnete, geschleppte Zustand gegen den gemessenen des befeuerten Motors konvergieren. Wenn sich hier ein stufenförmiger Übergang ausbildet, dann liegt in der Regel eine Fehlmessung vor. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 9

10 25 Brennraumdruck in bar Verbrennungsdruck Schleppdruck Massenmitteltemperatur Schlepptemperatur Die Kompressionslinie der Rechnung muss gegen den gemessenen Verlauf konvergieren Brennraum-Temperatur in K In dem nächsten Diagramm sind Isolinien der Energieumsetzung für 5 nachfolgende Zyklen aller Zylinder eines 4-Zylindermotors aufgetragen. Bei dieser Form der Darstellung sind Ungleichförmigkeiten im Brennverhalten der einzelnen Zylinder untereinander sofort zu erkennen. Das bezieht sich auf die Entflammungsphase ebenso wie auf die 5% Lage und den Beginn der Nachbrennphase. In dem hier verwendeten Beispiel ist eindeutig zu erkennen, dass die Entflammungsbedingungen für alle Zylinder und Zyklen weitgehend gleich zu sein scheinen. Ähnliches gilt für die 5% Lage, auch hier ist lediglich ein gewisses Streuband der Werte zu erkennen, aber kein systematisches Fehlverhalten. Der Beginn der Nachbrennphase verschiebt sich aber bei Zylinder 1 deutlich in Richtung spät, im Vergleich zu den Zylindern 2 und 3, während Zylinder 4 einen sehr stabilen Beginn der Nachbrennphase zeigt. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

11 % Energieum satz 3% Energieum satz 5% Energieum satz 1% Energieum satz 3% Energieum satz 5% Energieum satz 9% Energieum satz m ax. Energieum saetzungsrate ( Zyl. 1 ) ( Zyl. 2 ) ( Zyl. 3 ) ( Zyl. 4 ) ZZP=338, Zyklus Temperatur ohne Verbrennung Verbrennungstemperatur Massenmitteltemperatur 2 Temperatur in K Zugehörige Lage des Verbrennungsschwerpunktes 8 ZZP Das vorstehende Diagramm zeigt den Verlauf verschiedener Temperaturen, die sich aus der thermodynamischen Auswertung der Zylinderdruckdaten ergeben. Die Schlepptemperatur folgt aus der Wärmeübergangsrechnung, die Massenmitteltemperatur ist eine fiktive Temperatur die sich aus der Rechnung mit dem 1-Zonenmodell ergibt und für eine weitergehende physikalische Betrachtung nicht eignet. Die außerdem dargestellte Verbrennungstemperatur resultiert aus einem 2-Zonenmodell und ist geeignet für weitergehende Berechnungen, wie z.b. die Berechnung von NOx-Emissionen. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 11