Prinzip der äußeren Gemischbildung

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1 Prinzip der äußeren Gemischbildung Ein sehr interessanter Fall zur Kombination der Indiziermesstechnik mit der schnellen HC-Messtechnik ist bei der Untersuchung der Wandfilmproblematik in den Einlasskanälen von Ottomotoren gegeben. Das nachfolgende Bild zeigt den Einlasskanal eines Ottomotors und die dort auftretenden Gemischbildungsphänomene. Kraftstoff Einlaßkanal Injektor Wandanlagerung aufgrund der Sekundärströmung Primär-Spray Tropfenverdampfung / -verdunstung Einlaßventil Luft Wandfilmverdampfung / -verdunstung Tropfenabriß Tropfenzerfall Tropfenreflexion Wandfilm Kraftstoff-Spray Auf dieser Darstellung ist zu erkennen dass der Kraftstoff unmittelbar nach der Einspritzung mehr Möglichkeiten hat sich an den Wänden anzulagern, als durch das Einlassventil in den Brennraum zu gelangen. Hierbei sind die folgenden Phänomene zu betrachten: Der Injektor spritzt den Kraftstoff durch eine Art Schusskanal in den eigentlichen Einlasskanal. Innerhalb dieses Schusskanals besteht bei Durchströmung des Einlasskanals eine Sekundärströmung die einer Wirbelströmung direkt vor dem Injektoraustritt gleicht, die entgegen der Hauptströmungsrichtung an die Wand des Schusskanals geht. Diese Sekundärströmung führt die kleinen Tropfen des Kraftstoffsprays (<10µm) direkt an die Wand, das Resultat ist Wandfilmbildung. Die größeren Tropfen gelangen in die Hauptströmung des Einlasskanals. Bei entsprechender Strömungsgeschwindigkeit zerfällt ein Teil der großen Tropfen in kleinere Tropfen, dieser Vorgang wird Sekundärspraybildung genannt. Die kleineren Tropfen verdampfen teilweise oder vollständig in der Strömung. Dieser Vorgang ist im Prinzip erwünscht, weil der Kraftstoff dann mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit wie die Luftströmung in den Brennraum gelangt, allerdings ist dieser Anteil vergleichsweise klein. Der größte Anteil der Kraftstofftropfen hat früher oder später Wandberührung und trägt damit zur Vermehrung des Wandfilmes im Einlasskanal bei. Da die Fließgeschwindigkeit des Wandfilmes gering ist, kann sich bei instationärem Motorbetrieb kein Gleichgewicht zwischen Luft- und Kraftstofftransportpfad einstellen. Das Ergebnis sind erhebliche Abweichungen von der stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Mischung. Um dieses träge Verhalten des Wandfilmes zu minimieren wird in der Regel versucht, den Kraftstoff möglichst direkt auf das Einlassventil zu spritzen. In diesem Fall kann der Filmtransportweg minimiert werden und die recht scharfen Kanten des Einlassventils führen zu einem Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 definierten Abriss des Wandfilms und damit zur Bildung einer brauchbaren Sprayqualität im Brennraum. Das vorstehende Bild zeigt den prinzipiellen Versuchsaufbau um ein derartiges Verhalten eines Ottomotors zu untersuchen. Es ist zu erkennen, dass das schnelle FID (HFR400) direkt mit dem Transientenrecorder (Indiziersystem) verbunden ist. D.h. die Signale von Zylinderdruck und schneller HC-Messung werden gleichzeitig aufgezeichnet. Im nachfolgenden Bild ist die Anordnung der Sensoren im Brennraum zu sehen. zum FFID Zündkerze mit HC-Entnahmebohrung Auslaß Einlaß Quarzdruckaufnehmer Anschluß zum Ladungsverstärker Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Es ist zu erkennen dass die Kohlenwasserstoffkonzentration nicht nur im Brennraum gemessen wurde, sondern auch im Auslasskanal. Diese Konfiguration bietet den Vorteil dass das Zeitverhalten des Gemisches nicht nur im Brennraum, sondern auch in seiner Auswirkung auf das Abgas bewertet werden kann. Das obenstehende Bild zeigt das Prinzip eines Lastsprunges (Änderung der Drosselklappenposition) zur Bewertung des Kraftstofftransports in einem Ottomotor. Hierbei ist ein positiver Lastsprung eine Betriebspunktänderung in Richtung höherer Last, während ein negativer Lastsprung in Richtung niedrigerer Last geht. Bei diesen Lastsprüngen ist grundsätzlich eine Prognose möglich in welcher Richtung sich das Luftverhältnis während der Betriebspunktänderung bewegen wird. Bei einem positiven Lastsprung besteht aufgrund des steigenden Luftliefergrades ein steigender Kraftstoffbedarf der aufgrund des trägen Wandfilmverhaltens nicht befriedigt werden kann. Die Folge ist eine Abmagerung des Motors während des Lastsprunges. Bei einem negativen Lastsprung nimmt der Luftliefergrad ab, demzufolge müsste auch die Kraftstoffversorgung des Zylinders geringer werden. Aufgrund der Speicherwirkung des Einlasskanals wird aber weiterhin der Kraftstoffwandfilm in den Zylinder transportiert, d.h. es gelangt zuviel Kraftstoff in den Zylinder. In diesem Fall läuft der Motor solange im überfetteten Betrieb, bis der überschüssige Kraftstoff im Einlasskanal abgebaut ist. Das obenstehende Bild zeigt den Verlauf eines positiven Lastsprunges. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 Um die Kraftstoffspeicherwirkung des Motors beurteilen zu können, muss der Stationärbetrieb genauestens vermessen werden. Variationsgrößen sind hierbei das Luftverhältnis und der Zündzeitpunkt für alle Betriebspunkte die während des Instationärbetriebes durchfahren werden. Wenn das Stationärverhalten genau beschrieben werden kann, dann ist es möglich durch einen Vergleich der indizierten Arbeit auf das Luftverhältnis zu schließen. Ein Beispiel für die prinzipielle Vorgehensweise ist dem nachstehenden Bild zu entnehmen. Entsprechend dem gewählten Luftverhältnis stellt sich bei konstantem Zündzeitpunkt, konstanter Motordrehzahl und konstantem Luftliefergrad eine indizierte Arbeit ein, so dass eine Zuordnung mit dem Luftverhältnis möglich ist wenn die Richtung des Lastsprunges bekannt ist. Durch Vergleich mit dem über die Einspritzzeit eingestellten Luftverhältnis ist dann eine Bewertung des Kraftstoffspeicherverhaltens möglich. 1 mittlerer Saugrohrdruck p S 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Luftliefergrad λ L Gleichzeitig sollte auch der Zusammenhang zwischen dem mittleren Saugrohrdruck und dem Luftliefergrad bekannt sein, um auf einfache Weise einem instationären Zyklus einen Luftliefergrad zuordnen zu können. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 Massenanteile 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Motorzyklen Differenzmasse umgesetzte Masse Das obenstehende Bild zeigt das Ergebnis der Auswertung eines positiven Lastsprunges. Es ist klar zu erkennen, dass zu Anfang des Lastsprunges der größte Teil des eingespritzten Kraftstoffes im Wandfilm gelagert wird. Erst einige Zyklen nach dem Lastsprung konvergiert die umgesetzte Kraftstoffmasse gegen die eingespritzte Kraftstoffmasse. 1,05 ps,mittel [bar] ; bez. indiz. Arbeit 0,95 0,85 0,75 0,65 0,55 Startwerte: p saug = 0.46 bar λ = 1.0; w ind,stat = J/cm³ Endwerte: p saug = 0,67 bar λ = 1.0; w ind,stat = J/cm³ indizierte Arbeit mittl. Saugrohrdruck Drosselklappenstellung 0, Zyklen In dem vorstehenden Bild ist der gesamte Versuchsablauf für solch einen positiven Lastsprung dargestellt. Es ist der Verlauf der Drosselklappenstellung als auslösendes Signal zu erkennen, ebenso wie die Reaktion des mittleren Saugrohrdruckes und der indizierten Arbeit. Im nachfolgenden Bild sind die Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 Ergebnisse für die Kraftstoffmassen aufgetragen. Der Vorgabewert folgt unmittelbar der Sprungfunktion der Drosselklappe, während die im Motor umgesetzte Kraftstoffmasse bis zu 10 Zyklen zur Konvergenz benötigt. Gleichzeitig passt sich der Wandfilm den neuen Betriebsbedingungen an. 30 mk,ein ; mk,zyl. ; mk,film [mg] eingespritzte Krst.-Masse umgesetzte Krst.-Masse gespeicherte Krst.-Masse 2.0 ltr.-2v-motor p Saug = 0.46 => 0.67 bar n M = 2100 U/min Zyklus Im folgenden soll kurz der Verlauf der indizierten Arbeit für den Anfangs- und Endpunkt des Lastsprunges dargestellt werden. Hier ist insbesondere auf die Standardabweichung um den Mittelwert herum zu achten, da die Streuung der Messwerte auch das Ergebnis der Rechnung beeinflusst. 1,2 bezogene indizierte Arbeit 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 n M = 2100 U/min λ L =konst. p S = 0.46bar α Zzp =konst. T Kühlmittel = 90 C Wind. gemittelt Wind. + Std.-Abw. Wind. - Std.-Abw. Wind. Max. Wind. Min. 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 Luftverhältniszahl Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

7 Der Anfangspunkt ist aufgrund der niedrigen Last von einer relativ starken zyklischen Schwankung geprägt, da aber zu Beginn nur der stöchiometrische Bereich betrachtet werden muss ist das von untergeordneter Bedeutung. Der wichtigere Punkt ist der Endpunkt und der liefert einen ausreichend stabilen Betrieb im gesamten, betrachteten Bereich. 1,2 1 relative indizierte Arbeit 0,8 0,6 0,4 0,2 Wind. gemittelt Wind. + Stdabw. Wind. - Stdabw. Wind. Max. Wind. Min. n M = 2100 U/min λ L =konst. p S = 0.67bar α Zzp =konst. T Kühlmittel = 90 C 0 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Luftverhältniszahl Diese Art der Untersuchung liefert zwar recht gute Ergebnisse bei der Beurteilung des relativen Anstiegs oder aber Abfalls des im Einlasskanal gespeicherten Kraftstoffes, aber eine Aussage zur absoluten gespeicherten Kraftstoffmasse ist damit nicht möglich. Um solche Informationen zu erhalten ist es notwendig, den Ausgangszustand im Hinblick auf den gespeicherten Kraftstoff genau zu kennen. Im normalen Motorbetrieb ist eine Messung der gespeicherten Kraftstoffmasse nicht möglich, wohl aber kann der Motor im unbefeuerten Schleppbetrieb seinen Einlasskanal komplett leer saugen. In diesem Fall ist ein eindeutiger Zustand erreicht und eine Wandfilmmasse existiert nicht. Zu unterscheiden sind zwei verschiedene Arten der Annäherung an diesem Zustand: 1) Wird dem Motor aus dem befeuerten Betrieb heraus die Kraftstoffzufuhr abgestellt, dann kann damit der Wandfilmabbau in seinem Zeitverhalten untersucht werden. 2) Wird der Motor aus dem Schleppbetrieb heraus plötzlich mit Kraftstoff versorgt und befeuert, dann kann der Wandfilmaufbau in seinem Zeitverhalten untersucht werden. In beiden Fällen wird der Betriebspunkt beibehalten und der Anfangszustand ist mit allen erforderlichen Werten bekannt. Im Fall 2 ist dann der Integralwert der anfänglichen Differenz zwischen dem verbrannten und dem eingespritzten Kraftstoff die Masse, die im Einlasskanal gespeichert wird. Bei diesen Messungen ist allerdings neben der Kenntnis der Einspritzzeit und der Injektorkennlinie auch die Zuordnung der hydraulischen Einspritzung zum einzelnen Zyklus wichtig um Zuordnungsfehler, die sich z.b. durch eine zu große Speicherwirkung ergeben können, zu vermeiden. Mit dem FFID (HFR400) ist es mit Hilfe einer Innenzylinder HC-Messung möglich zu erkennen, ob die erste Einspritzung unmittelbar in den Zylinder gelangt oder nicht. Mit einer zusätzlichen Messung im Auslasskanal ist dann eine Aussage über die Qualität der Verbrennung und über die HC-Konzentration im Abgas möglich. Hier ist dann ein Abgleich zwischen Indizierauswertung und HC-Messung möglich. Das nachfolgende Bild zeigt den prinzipiellen Ablauf einer solchen Messung. In dem oberen Diagramm ist der Verlauf der Einspritzzeiten der einzelnen Zyklen dargestellt. Der erste Zyklus ist etwas länger, um das bekannte Speicherverhalten wenigstens teilweise zu kompensieren. Im zweiten Diagramm ist der Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7

8 Verlauf der HC-Messung im Brennraum aufgetragen. In diesem Fall folgt die Brennraumkonzentration der Kohlenwasserstoffe unmittelbar der Einspritzung, d.h. die Speicherwirkung führt nicht zu einem Zyklus ohne Kraftstoff. Das dritte Diagramm zeigt letztendlich die indizierte Arbeit als Antwort des Motors auf den Versuch. Die Bedeutung der richtigen Zuordnung von Einspritzung und Zyklus soll noch einmal in einer getrennten Darstellung gezeigt werden. Da möglichst wenig Kraftstoff im Einlasskanal gespeichert werden soll, andererseits aber die hydraulische Ankunftszeit am Einlassventil sich deutlich von der elektrischen Einspritzzeit unterscheidet, muss die Einspritzung so ausgelöst werden, dass das Kraftstoffspray das Einlassventil in dem Moment erreicht, wenn es sich öffnet. Das ist gleichbedeutend damit, dass die Einspritzung Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 8

9 schon während des Vorgängerzyklus ausgelöst werden muss um den kommenden Zyklus zeitrichtig mit Kraftstoff zu versorgen. Im folgenden soll nun gezeigt werden, wie diese Messungen aussehen und zu welchen Ergebnissen sie führen. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 9

10 Das vorstehende Bild zeigt den Verlauf der elektrisch vorgegebenen Einspritzzeit mit dem ersten großen Wert zur Kompensation der Wandfilmeffekte. Zusätzlich ist der Verlauf der Rohsignale der HC- Konzentrationsmessung im Brennraum dargestellt. 1,2 1 bez. indizierte Arbeit 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Einspritzbeginn p Saug = 0.46 bar n = 2100 U/min λ stat = 1.0 λ L = 0.32 = const Zyklus Die zugehörige indizierte Arbeit zeigt ein ausgeprägtes wandfilmgesteuertes Verhalten. Die ersten Werte sind noch vergleichsweise hoch bedingt durch die erste recht lange Einspritzung, um dann auf ein niedrigeres Niveau abzufallen weil eine kurze Anreicherung vermutlich nicht ausreicht. Dann konvergiert die indizierte Arbeit nach ca. 17 Zyklen gegen den stationären Endwert. 70 Kraftstoffmassen [mg] ltr.-2v-motor p Saug = 0.46 bar n M = 2100 U/min λ L = 0.32 = const. eingespritzte Krst.-Masse umgesetzte Krst.-Masse gespeicherte Krst.-Masse Zyklus Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 10

11 Das Ergebnis der daraus resultierenden Wandfilmbetrachtung ist in dem obenstehenden Diagramm aufgetragen. Es ist zu sehen, dass zu Anfang sehr viel Wandfilm entsteht und daran anschließend ein kontinuierlicher Anstieg erfolgt, der gegen einen Grenzwert konvergiert der sich in etwa dann einstellt wenn auch die indizierte Arbeit konvergiert. Der Verlauf des Rohsignals der HC-Konzentrationsmessung beim Abschalten der Kraftstoffzufuhr zeigt in sehr eindeutiger Weise das Zeitverhalten beim Wandfilmabbau. Da aber jeweils nur ein Punkt der HC-Konzentrationsmessung pro Zyklus interessant ist, soll in dem folgenden Bild die maximale gemessene HC-Konzentration vor der Verbrennung für jeden Zyklus betrachtet werden. 1,2 bez. Brennraum-HC-Konzentration 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 2.0 ltr.-2v-motor psaug = 0.67 bar nm = 2100 U/min 0, Zyklen Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 11

12 Dieser Darstellung ist sehr viel deutlicher zu entnehmen, dass der Wandfilmabbau deutlich länger benötigt als der Wandfilmaufbau. In diesem Beispiel sind es etwa 21 Zyklen bis der Einlasskanal weitgehend trocken ist ltr.-2v-motor p Saug = 0.46 bar n M = 2100 U/min berechneter Wandfilmmassenabbau HC-Signal Wandfilmmasse [mg] Zyklen rel. HC-Konzentration In dem letzten Bild zu diesem Thema ist ein Vergleich einer HC-Konzentrations-Messung mit einer theoretischen Wandfilmrechnung dargestellt. Erkennbar ist der Unterschied zwischen Rechnung und Messung. Hier macht sich der Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung recht deutlich bemerkbar, weil der Wandfilmabbau, im Gegensatz zum Wandfilmaufbau, vom Verdampfungsverhalten geprägt wird. Weiterhin muss dabei beachtet werden dass vom FFID nur die verdampften Anteile gemessen werden, nicht aber die flüssigen. Demzufolge sind natürlich auch erhebliche Unterschiede zu erwarten. Für den Fall des Wandfilmaufbaus ist, aufgrund anderer physikalischer Gesetzmäßigkeiten als bei der Wandfilmverdampfung, die Qualität der theoretischen Rechnung deutlich besser, d.h. das Wandfilmverhalten wird recht genau wiedergegeben. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 12

13 Prinzip der inneren Gemischbildung Der wesentliche Unterschied zur äußeren Gemischbildung ist dadurch gegeben, dass der Kraftstoff unmittelbar in der Brennraum eingespritzt wird. Dadurch kann sich zwar Wandfilm im Brennraum bilden, kaum aber im Einlasskanal. Das heisst es kann sich nur eine sehr kleine Menge von unkontrollierten Kraftstoff im System ergeben, anders also als bei der äußeren Gemischbildung. Bei den drei klassichen DI-Benzinverfahren wird im wesentlichen der Kolbenboden mehr oder weniger intensiv mit Kraftstoff benetzt, dieser Wandfilm dient aber eher der Verdampfung des Kraftstoffs im Zylinder und wird kaum die hohen Temperaturen im Zylinder überstehen. Die Frage die sich stellt ist, ob es überhaupt möglich ist eine Wandfilm in den Kanälen des Motors zu erzeugen. Dieses Diagramm mit den Massenströmen im Ladungswechsel zeigt, dass nur im Bereich der Rückströmung im Einlasskanal (schwarz, negativ) eine Wandfilmbildung aufgrund von rückströmendem Kraftstoff möglich ist. Dazu muss die Einspritzung aber zwingend im Ladungs- Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 13

14 wechsel stattfinden. Wird der Spritzbeginn in Richtung ZOT-Lage verschoben dann ist eine Wandfilmbildung nicht mehr möglich, aufgrund des nicht vorhandenen Kraftstoffs. Ein wesentlicher Vorteil eines Direkteinspritzmotors ist also der trockene Einlasskanal, der das Abgas-Verhalten des Motors wesentlich besser kontrollierbar macht. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 14

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