Die Verbrennungs- kraftmaschine

Transkript

1

2 Die Verbrennungs- kraftmaschine Herausgegeben von Hans List und Anton Pischinger Neue Folge Band 6

3 Gemischbildung bei Ottomotoren H.P.Lenz Unter Mitwirkung von M. Akhlaghi, W. Böhme, H. Duelli, G. Fraidl, H. Friedl, B. Geringer, G. Pachta, E. Pucher und G.Smetana Springer-Verlag Wien GmbH

4 Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. sc. techno Hans Peter Lenz Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau der Technischen Universität Wien, Österreich Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten by Springer-Verlag Wien Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Wien-New York 1990 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1990 Mit 352 Abbildungen und 12 Tabellen CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Die Verbrennungskraftmaschine / hrsg. von Hans List u. Anton Pischinger. - Wien; New York : Springer. NE: List, Hans [Hrsg.] N.F., Bd. 6. Lenz, Hans Peter: Gemischbildung bei Ottomotoren Lenz, Hans Peter: Gemischbildung bei Ottomotoren / H. P. Lenz. Unter Mitw. von M. Akhlaghi... - Wien; New York : Springer, 1990 (Die Verbrennungskraftmaschine; N.F., Bd. 6) ISBN ISBN (ebook) DOI / Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 Vorwort Seit das umfasssende Werk von K.Löhner und H.Müller "Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor' 1967 erschienen ist [1.1.), sind 23 Jahre vergangen. Verständlicherweise haben sich in dieser Zeit große Fortschritte und viele neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor ergeben, sodaß es an der Zeit erschien, diesen neuen Wissensstand nunmehr zusammengefaßt vorzulegen. Ich kam daher der Anregung der Herausgeber dieser Buchreihe, den Herren Professoren Dr. H. List und Dr. A. Pischinger, gerne nach, ein Buch, das den heutigen Stand der Erkenntnisse enthält, zu verfassen. Da ein besonderer Arbeitsschwerpunkt des von mir geleiteten Institutes für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau der Technischen Universität Wien auf dem Gebiet der Gemischbildung in Zusammenarbeit mit der einschlägigen Industrie liegt, wurden zahlreiche hier erarbeitete neue Ergebnisse aufgenommen. Aufgrund der Komplexität dieses Gebietes haben zahlreiche Fachleute bei der Herausgabe dieses Bandes mitgewirkt, insbesondere frühere und derzeitige Mitarbeiter. Herzlichst danke ich in diesem Zusammenhang für die Ausarbeitung einzelner Abschnitte: Herrn Dipl.-Ing. Dr. Mehdi Akhlaghi, Herrn Dipl.-Ing. Walter Böhme, Herrn Dipl.-Ing. Dr. Heinz Duelli, Herrn Dipl.-Ing. Dr. Günter Fraidl, Herrn Dipl.-Ing. Hubert Friedl, Herrn Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Geringer, Herrn Dipl.-Ing. Dr. Georg Pachta, Herrn Dipl.-Ing. Dr. Ernst Pucher und Herrn Dipl.-Ing. Dr. Günter Smetana. Herrn Prof. Dr. Hellmuth Schindlbauer gilt mein Dank für die Durchsicht des Abschnittes "Kraftstoff". Die Grundlagen der Verbrennung werden nur in dem Umfang erläutert, als sie zum Verständnis der Auswirkungen der Gemischbildung erforderlich sind. Dies erscheint auch deshalb zweckmäßig, weil in der gleichen Reihe 1989 der Band "Die Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine" von R.Pischinger, G.Krassnig, G.Taucar und T. Sams [1.2.] erschienen ist, der dieses Gebiet eingehend behandelt. Den Schwerpunkt dieses vorliegendenden Bandes stellt daher die Gemischbildung für Ottomotoren dar, sowohl bezüglich der Grundlagen, als auch hinsichtlich der Ausführung der Gemischbildner und der zugehörigen Saugrohre. Ebenso wird auf die dazugehörige Meßtechnik eingegangen. Das Buch soll damit sowohl dem in der Wissenschaft wie in der Praxis tätigen Ingenieur, wie auch Studierenden, die sich auf diesem Gebiet vertiefen wollen, einen Überblick über den Stand des Wissens und der Technik geben.

6 VI Vorwort Dabei muß darauf hingewiesen werden, daß auch nach mehr als hundertjähriger Entwicklung im Motorenbau auf diesem Gebiet gerade heute weltweit intensive Forschung betrieben wird und große Fortschritte zu verzeichnen sind. Die insgesamt ca. 400 direkt berücksichtigten Literaturquellen sind daher nur ein Teil der gesamten Literatur. Für die vielfältige Unterstützung und Freigabe von Urheberrechten sei insbesondere den Unternehmen Adam Opel AG., Rüsselsheim, AUDI AG., Ingolstadt, BMW AG, München, Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG, Stuttgart, Fritz-Hintermayer GmbH, Nürnberg, Mercedes-Benz AG, Stuttgart, Pierburg GmbH., Neuss, R.Bosch GmbH., Stuttgart, Volkswagen AG, Wolfsburg herzlichst gedankt. Weiterer Dank gilt den Herren Dr. Mehdi Akhlaghi und Dr. Ernst Pucher für die Schlußredaktion dieses Werkes, Herrn Dipl.-Ing. Peter Kohoutek und Herrn Walter Leitner tür die graphische Gestaltung vieler Bilder. Wien, Januar 1990 o. Univ. Professor Dr. sc. techno Dipl.-Ing. Hans Peter Lenz

7 Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes XIII 1. Grundlagen der Verbrennung 1.1 Allgemeines Bestimmung des Heizwertes Grundlagen des motorischen Arbeitsprozesses Allgemeines, idealisierte Kreisprozesse, Vergleichsprozesse Der Carnot-Prozeß (idealisierter Kreisprozeß) Der Gleichraum-Prozeß (idealisierter Kreisprozeß) Der Gleichdruck-Prozeß (idealisierter Kreisprozeß) Der Seiliger-Prozeß (idealisierter Kreisprozeß) Die Vibe-Funktion Dissoziation Prozeßrechnung Einzelheiten der Verbrennung beim Ottomotor Reaktionen vor der Zündung Glühzündung (Frühzündung) Zündung Zündverzug Verbrennungsablauf und Ladungsbewegung Klopfen Arbeitsverfahren Wirkungsgrad Grundlagen der Gemischbildung Luft Kraftstoff... 43

8 VI/I Inhaltsverzeichnis Anforderungen an die Kraftstoffe Zusammensetzung und Aufbau der Kraftstoffe Grundsätzliches Reine Kohlenwasserstoffe Kettenförmige (aliphatische) Kohlenwasserstoffe Ringförmige (zyklische) Kohlenwasserstoffe Sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe Alkohole (AIkanoIe) Ether Kraftstoffadditive Eigenschaften und Kenngrößen der Kraftstoffe Ottokraftstoffe (Benzin) Permanentgas Flüssiggas Stöchiometrisches Mischungsverhältnis; Luftzahl Gemischdosierung Gemischmenge Gemischzusammensetzung Gemischaufbereitung Kraftstoffzerstäubung Druckzerstäubung Druckluftzerstäubung Kraftstoffverdampfung Gemischtransport und -verteilung Gemischtransport und -verteilung bei zentraler Gemischbildung Allgemeine Beschreibung Luft und Kraftstoffdampf (Gas) Kraftstofftropfen Wandfilm Gemischtransport und -verteilung bei dezentraler Gemischbildung Labormeßtechnik Kraftstoff- und Luftmassenbestimmung Luftmassenmessung Kraftstoffmessung Luftzahlbestimmung.. 114

9 Inhaltsverzeichnis Allgemeines Genauigkeitsbetrachtung zu den verschiedenen Luftzahl-Bestimmungs-Verfahren Atombilanzverfahren Ein-Komponenten-Luftzahl-Berechnungsverfahren Gegenüberstellung der Luftzahl-Bestimmungs-Verfahren aus der Abgasanalyse Instationäre Luftzahlbestimmung Luftzahlbestimmung an Zweitakt-Motoren 3.3 Wandfilmbestimmung IX Meßtechnische Erfassung der Tropfengröße Meßmethoden zur Tropfengrößenbestimmung Abbildende optische Verfahren Extinktionsverfahren Streulichtverfahren Theoretische Grundlagen des Streulichtverfahrens Aufbau und Meßeinrichtung des Streulichtverfahrens Abschätzung von Fehlereinflüssen und Beurteilung der Meßgenauigkeit des Streulichtverfahrens Doppelbrechung Inhomogenitäten im Meßstrahl Auswerteverfahren Weitere Einflüsse auf das Meßergebnis Beurteilung der Meßgenauigkeit Darstellungsmöglichkeiten stationärer Tropfenspektren Darstellung instationärer Tropfenspektren Vermessung der Strahlbilder von Einspritzventilen Ausführungen der Gemischbildner Zentrale Gemischbildner Vergaser Grundgleichungen Die einzelnen Grundsysteme des Vergasers Lufttrichter, Drosselklappe Einrichtungen zur Konstanthaltung des Kraftstoffniveaus Hauptdüsensystem Leerlaufsystem Bypaß-System

10 x Inhaltsverzeichnis Start und Warmlaufsystem Beschleunigungspumpen Gemischabmagerungs- und Gemischanreicherungs-Einrichtungen Zusatzgemischsysteme Schiebebetrieb Atmosphärische Korrektoren Vereisung Dampfblasen Vergaserbauarten Gleichdruckvergaser Vergaser mit elektronischer Steuerung oder Regelung Ausführungsbeispiele von Vergasern Pierburg Registervergaser 2E Pierburg Doppelregistervergaser 4A Vergaser für Kleinmotoren, Bing-Vergaser Elektronischer Vergaser von Pierburg Zentraleinspritzung Bosch-Mono-Jetronic Nissan-Single-Point-Injection Opel-Multec-Zentraleinspritzung Zwei-Düsen-Zentraleinspritzung (Dual Point Injection) von Honda Gasmischer Einfluß der Gemischbildnergeometrie auf die Gemischverteilung Grundsätzliches Drosselklappe Mischkammer Ansaugluftführung Einfluß des Einspritzzeitpunktes auf die Gemischverteilung Dezentrale Gemischbildner Einzelzylindereinspritzung Verlauf der Entwicklung Elektronisch intermittierende Einspritzung L-Jetronic von Bosch LH-Jetronic von Bosch Mechanisch-elektronische kontinuierliche Einspritzung K-Jetronic von Bosch KE-Jetronic von Bosch Elektromagnetische Einspritzventile Grundsätzliche Funktion und Aufbau Vergleich verschiedener Einspritzventilbauarten Allgemeines

11 Inhaltsverzeichnis Spritzzapfenventile (Kegelstrahlventile) Einlochventile (Schnurstrahlventil) Mehrlochventile Wichtige Kenngrößen elektromagnetischer Einspritzventile XI Luftmassenmessung Stauklappenluftmengenmessung Wirbelfrequenz-Durchflußmesser Thermische Sensoren Hitzdrahtluftmassenmesser Heißfilmluftmassenmesser Kombination Gemischbildung-Zündung-Motormanagement Anforderungen von Mehrventilmotoren an die Gemischbildung Unterschiede zwischen Zwei- und Mehrventilmotoren im Hinblick auf die Gemischbildung Auswirkungen der Unterschiede zwischen Zwei- und Mehr-Ventilmotoren auf die Gemischbildung und Optimierungsmöglichkeiten Vergleichende Bewertung der Gemischbildner Ausführung der Saugrohre Saugrohre für zentrale Gemischbildner Anforderungen an das Saugrohr Grundsätzliche Gestaltungsrichtlinien Saugrohrgrundform Ansaugsystemart Saugrohrformtyp Saugrohrbeheizung Saugrohrvolumen Einzelrohrquerschnitt Einzelrohrlänge Volumen des Verteil körpers Gemischumlenkungen und -verzweigungen Rohrquerschnittsform Verteilkörperform inklusive Einbauten Neigung des Saugrohres Anschlußbohrungen Saugrohrmaterial berflächenrauhigkeit

12 XII Inhaltsverzeichnis Zwischenflansch Saugrohr-Gemischbildner. 5.2 Saugrohrgestaltung für dezentrale Gemischbildner Allgemeines Resonanzaufladung Schwingrohraufladung Unkonventionelle Sauganlagen ohne variable Abmessungen Variable Sauganlagen Berechnung von Saugrohren tür Einzeleinspritzung Sonderformen der Gemischbildung Sonderformen zentraler Gemischbildung Sonderformen dezentraler Gemischbildung Literaturverzeichnis 367 Sachverzeichnis 392

13 Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes XIII Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes Formelzeichen a,b [m] Abstand A [m 2 ] Fläche (verschiedene Dimensionen möglich) b [m.s-2] Beschleunigung b [g.kw1.h-1] spezifischer Kraftstoffverbrauch B [I. h -1] Kraftstoffverbrauch c [m.s-1] Schallgeschwindigkeit cv,cp [J.kg-1.1("1] spezifische Wärmekapazität bei v = konst. bzw. p = konst. dx/dq> [okw1] Energieumsatzrate D,d [mm] Durchmesser 032 [J-Lm] Sauterdurchmesser 032 [J-Lm] mittlerer Sauterdurchmesser E(x)/Emax normierte Streulichtenergie E [J] Energie f Faktor f [Hz] Frequenz, Zündfunkenanzahl f [mm] Brennweite, Linsenbrennweite fse [mm 2.kW 1 ] spezifischer Einzelrohrquerschnittsfaktor F [%] filmförmiger Kraftstoffanteil F [N] Kraft FR [N.kg-1] spez. Reibungskraft (bezogen auf p.a.dx) 9 [m.s-2] Erdbeschleunigung h [m] Höhe (h/c) Masse Wasserstoff/Kohlenstoff Massenverhältnis H [kj.m-3] Heizwert He [g] Summenemission für unverbrannte Kohlenwasserstoffe Ho [kj.kg- 1 ] spezifischer Brennwert (oder "oberer Heizwert") HG [kj.m-3] Gemischheizwert Hu [kj.kg-1] spezifischer Heizwert (oder "unterer Heizwert") des flüssigen Kraftstoffes Hu [kj.m-3] spezifischer Heizwert oder "unterer Heizwert" des gasförmigen Kraftstoffes iha Übersetzung der Antriebsachse I (x)/imax normierte Streulichtintensität IH [A] Heizstrom ks/d [ -] bezogene Rohrrauhigkeit K [ -] Konstante

14 XIV Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes L, I [m] Länge m [kg] Masse m [kg.s-1] Massendurchsatz, Durchflußmenge m [mm 3.(msr 1 ] statischer Durchfluß m [ -] Vi be-faktor mf [%] gespeicherte Filmmenge M Mischungsverhältnis Md [N.m] Motordrehmoment n Anzahl n [min-1] Drehzahl N lkw] Leistung, Motorleistung NOx [g] Summenemission für Stickoxide (o/c) Masse Sauerstoff/Kohlenstoff-Massenverhältnis Oh Ohnesorge-Zahl p [N.m-2] Druck ps [N.m-2] Saugrohrunterdruck (verschiedene Dimensionen möglich) q [mm 3 ] eingespritzter Kraftstoff pro Hub qa [J.kg-1] abgeführte spezifische Wärmemenge qb [J.kg-1] zugeführte spezifische Wärmemenge Q [J] Wärmemenge QA [%] Quetschflächenanteil r [m] Radius r [mm] Meßradius in der Brennebene R [0] Widerstand R [J.kg-1.1("1] spezifische Gaskonstante Re [ -] Reynoldszahl S [J.I("1] Entropie s [J.kg-1.1("1] spezifische Entropie s [m] Hub [s] Zeit t [s] Pulsationsperiode T [ok, C] Temperatur Ti [ms] Impulsdauer Ti [ms] Impulssteuerzeit Tm [ms] Impulszeitverlängerung durch Korrekturen Tp [ms] Einspritzgrundzeit Tt [ms] Tropfenflugzeit Tu [ms] Impulszeitvertängerung durch Spannungskompensation Tv [ms] Zeitverzögerung U [V] elektrische Spannung Ux. [mv] Sondenspannung Uv [V] Ansteuerspannung Uv [V] Ventilsteuerspannung v [m.s-1] Geschwindigkeit

15 Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes v [m 3.kg 1] spezifisches Volumen V [cm 3 ] Volumen (verschiedene Dimensionen möglich) V [mm 3.ms- 1 ] statisches Durchflußvolumen V [m 3.h- 1 ] Durchsatz Vc [m 3 ] Kompressionsvolumen VF [m.s- 1 ] mittlere Filmgeschwindigkeit VH [dm 3 ] Hubvolumen (verschiedene Dimensionen möglich) V [%] Variationskoeffizient We [kj.dm- 3 ] spezifische effektive Arbeit We Weberzahl x [m] Ortskoordinate x Wasser bzw. Kraftstoffgehalt der Luft x normierter Meßradius y Ortskoordinate E E <l> 'Y 1'] 1']0 1'] q> q> q> q>b q>/q>b K K x ~ ~ ~a ~R [ -] [m] [ -] [0] Durchflußzahl Winkel [okw] [/-Lm] [0] Zündwinkel Dicke des Wandfilms Winkel, Krümmungs-Winkel ~K [%] Abweichung der Einzylinder-Kraftstoffzahl von der berechneten mittleren Kraftstoffzahl aller Zylinder ~OT [m 2 ] Oberflächenvergrößerung durch den Zerfallsvorgang ~p [mbar] Druckverlust (verschiedene Dimensionen möglich) (~p/i)r,zp [mbar.m- 1 ] bezog. Reibungsdruckverlust ~PR [N.m- 2 ] Reibungsdruckverlust [kg.m-3] [Pa.s] [okw] [okw] [okw] [mm] Verdichtungsverhältnis des Motors Seitenlängenverhältnis Pulsationskennzahl spezifisches Gewicht Wirkungsgrad Düsenwirkungsgrad dynamische Zähigkeit (verschiedene Dimensionen möglich) zeitliche Phase der Energieumsetzung Volumensteigerungsverhältnis Kurbelwinkel Brenndauer normierte Kurbellage der Brenndauer Adiabatenexponent Kraftstoffzahl Anteil der umgesetzten Energie (Brennfunktion) Luftzahl (Luftverhältnis) Lichtwellenlänge Luftaufwand Rohrreibungswert xv

16 XVI Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes J.L Kontraktionszahl v [m2.s-1] kinematische Zähigkeit 8 [0] Streuwinkel p [kg.m-3] Dichte a [N.m-2] Oberflächenspannung 'T [N.m-2] Schubspannung (Scherspannung) ~ Sauerstoff/Kohlenstoff-Atomverhältnis im Kraftstoff Drucksteigerungsverhältnis '" Durchflußfunktion '" Wasserstoff/Kohlenstoff-Atomverhältnis im Kraftstoff t Widerstandsbeiwert '" Abkürzungen und Indizes 0 Normzustand B Behälter 0 Bezugszustand (Umgebungszustand) BA Beschleunigingsanreicherung 0 Ruhezustand C Kompression A Auftrieb CFR Cooperative Fuel Research Com- A Ausgleichsbehälter mitee, USA A Auslaß const konstant A Auslaßventil CVCC Compound Vortex Controlled A abgeführt Combustion A Ansaug CZ Cetanzahl Abb Abbildung D Dampf abs, Abs Absolut DFR Dynamic Flow Range atm atmospherisch DKA Drosselklappenschalter ABS Antiblokiersystem DIN Deutsches Institut für Normung e.v. AEGS elektronische Getriebesteuerung DK Drosselklappe AFI Luftunterstützte Kraftstoffeinspritzung DME Digitale Motor Elektronik AS Auslaßventil schließt DS Sättigungsdampf ASC Antiblockiersystem mit Stabilitäts- DSM Divisions-Steuermultivibrator kontrolle DVG Deutsche Vergaser-Gesellschaft ASTM American Standard Test Method e,eff effektiv AVL Anstalt für Verbrennungskraftma- E Einlaß schinen und Meßtechnik mbh. List E Einlaßventil * kritischer Zustand ECE Economic Commission for Europa (x) normierter Meßradius EDV Elektronische Datenverarbeitung B Brennstoff EMK Elektromotorische Kraft B zugeführt

17 Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes XVII EML elektronische Motorleistungsrege- min minimal lung MOZ Motor-Oktanzahl EÖ Einlaßventil öffnet MSR Motorschleppmoment -Regelung ES Einlaßventil schließt MTBE Methyltertiärbutylether ES Endstufe MTL Bleitetramethyl ETBE Ethyltertiärbutylether NA Nachstartanhebung EV Einspritzventil NTC Negative Temperature Coefficient f feucht OH Hydroxylgruppe FI Flüssigkeit ÖNORM Österreich ische Norm FOZ Front-Oktanzahl Opt Optimal FTP Federal Test Procedure OT,oT oberer Totpunkt G Gemischbildner OZ Oktanzahl G Gemisch PCI Pre-Chamber -I njection G Gas PLU Pierburg Luftfahrt Union ges gesamt proz prozentuell GS gesättigtes Gemisch PTC Positive T emperature Coefficient H Hitzdraht R Widerstand HA Hinterachse R Reibung HLM Hitzdrahtluftmassenmesser R Resonanz HSP Heizmediums im Hotspot red reduziert indiziert rel relativ innen ROZ Research-Oktanzahl Impuls S,s Saugrohr Strom SA Startanhebung INA Internationale Norm-Atmosphäre SAS Schubabschaltung inst. instationär SKS Schichtlade-Kammer -System IS Heizstrom (Porsche) IVK Institut für Verbrennungskraftma- spez spezifisch schinen und Kraftfahrzeugbau sog sogenannte IC Integrated Cercuit SOZ Straßen-Oktanzahl K Kraftstoff st Stau k Kühlmittel stat. stationär KD Kraftstoffd üse stö stöchiometrisch L Luft SU Summierer LK Luftkorrektur T Tropfen LL Leerlauf t trocken LPG Liquified Petroleum Gas Tab Tabelle LT Lufttrichter TBI Throttle Body Injection M Mischkammer th thermisch M Mittelwert TL Teillast M Motor TOP thermodynamisch optimierter Porm Massenstrom schemotor m mittel Ü.OT Überschneidungs-OT max maximal UT unterer Totpunkt

18 XVIII VK VO VL VZ W WA WO ZOT Vollastkorrektur Vordrosselklappe Vollast Vorzerstäuber Wand Warmlaufanreicherung Wasserdampf Zündungs-OT Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes zu zugeführt Z, Zyl Zylinder ZZP Zündzeitpunkt KWn.OT Grad-Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt KWv.OT Grad-Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt