Kritischer Wandfilm Wandfilm

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1 Warmlauf eines Ottomotors mit luftunterstützter Einspritzung Im folgenden sollen die Ergebnisse eines mit einem unterkühlten Motor simulierten Warmlaufs dargestellt werden. Dazu wurde die Kühlung stetig mit Kaltwasser durchströmt und ein Betriebspunkt in der Nähe des Leerlaufs gewählt. Motordaten: Hubvolumen :2. L Anzahl der Zylinder :4 Verdichtungsverhältnis :1 Bohrung :82.5 mm Hub :92.8 mm Gemischbildner :luftunterstützte Saugrohreinspritzung Betriebsdaten: Motordrehzahl :79 U/min mittl. Saugrohrdruck :.39 bar Luftverhältnis :1. Kühlmitteltemperatur :25 C +/-.5 C Zündzeitpunkt :328 KW KW Stützluftdruck : bar (der Einspritzung) Öl Temperatur :29 C +/- 1 C Wie den Betriebsdaten zu entnehmen ist, waren sowohl der Zündzeitpunkt als auch der Stützluftdruck der luftunterstützten Einspritzung die Variationsparameter. Kraftstoff Einlaßkanal Luft Injektor Primär Spray Tropfen-Verdampfung Einlaß-Ventil Wandfilm-Verdampfung Ablösungs-Punkt Tropfen Abriß Tropfenzerfall Tropfen Reflexion Kritischer Wandfilm Wandfilm Kraftstoff In dem vorstehenden Bild sind wiederum alle Einzelphänomene im Zusammenhang mit der Gemischaufbereitung im Einlasskanal dargestellt. Bei dem hier gewählten Betriebszustand des vergleichsweise kalten Motors sind es allerdings zwei Eigenschaften die das Betriebsverhalten entscheidend ändern. Einerseits bewirkt die geringe Kühlmitteltemperatur einen drastischen Rückgang der Wandfilmverdampfung, andererseits führt die Luftunterstützung bei der Einspritzung zu einem feineren Spray und bewirkt damit eine Oberflächenvergrößerung des Kraftstoffes die wiederum das Verdampfungsverhalten verbessert. Ziel der folgenden Ausführungen ist es nun, dieses Verhalten zu diskutieren. Zunächst soll gezeigt werden wie sich eine Luftunterstützung auf die Tropfenverteilung des Spray s einer Kraftstoffeinspritzung auswirkt. Die Darstellung erfolgt in Tropfengrößenklassen, Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 d.h. D_9 bedeutet das 9% aller Tropfen in dieser Klasse sind, D_5 das 5% aller Tropfen in dieser Klasse sind usw. Der zusätzlich verwendete SMD (Sauter Mean Diameter) ist eine häufig benutzte Angabe für einen volumengewichteten mittleren Durchmesser, der aber kaum etwas über die Details der Tropfenklassenverteilung aussagt. 4 Tropfendurchmesser in Mikrometer D_ * D_1 D_5 + + * * * + * * * SMD,2,4,6,8 1 Differenzdruck zwischen Stützluftdruck und Umgebungsdruck in bar + D_9 D_5 D_1 SMD Es ist zu erkennen, dass sich die Tropfengrößenverteilung mit zunehmendem Stützluftdruck recht kräftig in Richtung kleiner Tropfen und damit größerer Kraftstoffoberfläche entwickelt. Es sollte also ein entsprechender Einfluss auf die Gemischbildung und damit auch auf die Verbrennung zu erwarten sein. * 1,6 pme in bar BMEP / bar 1,2,8, Zündzeitpunkt in KW Ign.-Tim. / CA.61 bar.98 bar 1.2 bar 1.4 bar Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Das vorstehende Diagramm zeigt den Einfluss des Stützluftdruckes und des Zündzeitpunktes auf den Mitteldruck des Motors. Da die Füllung während der Versuche konstant gehalten wurde, nimmt der Mitteldruck mit späterer Zündung ab. Dieses Verhalten deckt sich vollständig mit dem des warmen Motors. Interessant ist allerdings der Einfluss des Stützluftdruckes, trotz gleicher Füllung ist bei höherem Stützluftdruck auch ein höherer Mitteldruck zu erkennen. Das ist ausschließlich auf die verbesserte Gemischbildung zurückzuführen. Spezifischer Kraftstoffverbrauch in g/kwh 1 BSFC / % Zündzeitpunkt Ign.-Tim. / in CA KW.61 bar.98 bar 1.2 bar 1.4 bar Entsprechend dem Verhalten des Mitteldruckes ändert sich verständlicherweise auch der spezifische Kraftstoffverbrauch des Motors, d.h. mit zunehmendem Stützluftdruck werden die Verbräuche besser. Kohlenwasserstoffe in % vom Maximalwert 1 HC / % Zündzeitpunkt Ign.-Tim. / CAin KW.61 bar.98 bar 1.2 bar 1.4 bar Bei den Kohlenwasserstoffemissionen des Motors ist der gleiche Trend zu beobachten. Mit besserer Gemischbildung wird die Verbrennung besser und die HC-Emissionen müssen zwangsläufig abnehmen. Im nachfolgenden Diagramm ist die aus der Indiziermessung errechnete Abgastemperatur im Zylinder bei Auslass öffnet dargestellt. Diese Temperatur hat in zweierlei Hinsicht eine relativ hohe Bedeutung. Unmittelbar nach dem Kaltstart soll diese Temperatur möglichst hoch sein um den Katalysator schnell aufzuheizen und bei warmem Motor soll diese Temperatur nur so hoch sein, dass die Beschichtung des Katalysators nicht abbrennt. Aus diesem Diagramm ist zu entnehmen, dass nicht nur der Zünd- Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 zeitpunkt sondern auch der Stützluftdruck als Applikationsparameter für solche Problemstellungen herangezogen werden können. Gastemperatur im Zyl. bei Auslass öffnet in 15 Tcyl_EVO / K ,5,7,9 1,1 1,3 1,5 Stützluftdruck paa / bar in bar 328.7ø 328, ø 339,5 Die Entflammungsphase verkürzt sich mit zunehmendem Stützluftdruck, was in Anbetracht der verbesserten Gemischbildung auch passieren muss. Ein späterer Zündzeitpunkt führt, wie beim warmen Motor, zu einer verkürzten Entflammungsphase und auch die Standardabweichung nimmt ab. Lediglich die Dauer der Entflammungsphase nimmt zu im Vergleich zum betriebswarmen Motor. Das zeigt, dass auch eine verbesserte Gemischbildung den verdampften Kraftstoffanteil nicht so angleichen kann, wie er sich durch der Verdampfung des Wandfilmes an den warmen Einlasskanalwänden des betriebswarmen Motors ergibt. Entflammungsphase in KW 3 Infl.-Per. / CA Standardabw. in KW Std.-Dev. / CA ,5,7,9 1,1 1,3 1,5 Stützluftdruck paa / bar in bar 328.7ø 328,7 Std_Dev(328.7ø) Std.-Abw. 328, ø 339,5 Std_Dev(339.5ø) Std.-Abw. 339,5 Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 Die beiden folgenden Diagramme zeigen den Verlauf der Energieumsetzungsrate bei konstantem Zündzeitpunkt aber unter dem Einfluss unterschiedlicher Stützluftdrücke. Bedingt durch die bessere Gemischbildung läuft die Verbrennung im Motor bei steigendem Stützluftdruck immer schneller ab. Bezogen auf den Maximalwert ergibt sich eine Differenz von ca. 3% zwischen der schnellsten und der langsamsten Verbrennung. 2 Energieumsetzungsrate in 1/rad Heat Release / 1/rad 1,6 ZZP=328,7 K 1,2,8,4 -, bar.98 bar 1.2 bar 1.4 bar Bei dem späteren Zündzeitpunkt sind die Verhältnisse sehr ähnlich, nur das Niveau ist niedriger und die Brenndauer wächst an. 2 Energieumsetzungsrate in 1/rad Heat Release / 1/rad 1,6 ZZP=339,5 K 1,2,8,4 -, bar.98 bar 1.2 bar 1.4 bar Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 In den folgenden Darstellungen werden die Linien konstanten Energieumsatzes gezeigt, um die Länge der Hauptenergieumsetzung eindeutig beschreiben zu können, ebenso wie die Schwerpunktlage der Verbrennung unter dem Einfluss einer niedrigen Betriebstemperatur des Motors. 48 Stützluftdruck,6 bar % 1% 5% 9% Bei dem Beispiel mit,6 bar Stützluftdruck ist zu erkennen, dass die 5% Energieumsatzlage mit Werten 39 bis ca. 41 deutlich von dem sonst als optimal eingestuften Wert von 37 abweicht. Ebenso befindet sich die 9%-Lage am oberen Rand des Diagramms. Das bedeutet, dass die Verbrennung bis in den Bereich Auslass öffnet geht und somit nicht beendet wird. Das korreliert sehr gut mit den hohen Temperaturen im Brennraum bei Auslass öffnet. 48 Stützluftdruck,98 bar % 1% 5% 9% Bei,98 bar Stützluftdruck verschiebt sich die Schwerpunktlage deutlich nach früh und zumindest bei dem frühesten Zündzeitpunkt wird das Verbrennungsende noch vor Auslass öffnet erreicht. Hier zeigt Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

7 sich, dass mit einer luftunterstützten Einspritzung der Verlauf der Verbrennung recht positiv beeinflusst werden kann. 48 Stützluftdruck 1,2 bar % 1% 5% 9% Bei den beiden höheren Stützluftwerten von 1,2 bar und 1,4 bar steigt die Tendenz die Verbrennung vor Auslass öffnet zu beenden stetig, auch mit späteren Zündzeitpunkten. Ebenso verschiebt sich die Schwerpunktlage der Verbrennung immer weiter in Richtung früh, aber der optimale Werte des warmen Motors wird zu keiner Zeit erreicht. Das ist gleichbedeutend damit dass die Oberflächenvergrößerung des Kraftstoffes, bedingt durch feineres Spray, die sonst auftretende Verdampfung an den Wänden des Einlasskanals nicht kompensieren kann. Außerdem zeigt sich dadurch die starke Wandfilmdominanz bei der Gemischbildung in konventionellen Ottomotoren. 48 Stützluftdruck 1,4 bar % 1% 5% 9% Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7

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