Einfluss der Kühlmitteltemperatur auf das Betriebsverhalten eines Ottomotors

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1 Einfluss der Kühlmitteltemperatur auf das Betriebsverhalten eines Ottomotors Gegenstand der hier im folgenden beschriebenen Ergebnisse ist das Betriebsverhalten eines Ottomotors mit luftunterstützter Saugrohreinspritzung in einer simulierten Warmlaufphase. Hierzu wurde die Kühlmitteltemperatur auf einem vorgegeben Wert gehalten und die Betriebsparameter des Motors untersucht. Die charakteristischen Probleme des Warmlaufes stellen sich wie folgt dar: Ein ganz wesentlicher Faktor ist der Einfluss der Wandtemperatur in Saugrohr, Einlasskanal und auf dem Ventilteller des Einlassventils auf die Gemischbildung. Bei der Einspritzung wird der größere Anteil des entstehenden Kraftstoffsprays in Form von Wandfilm angelagert. Da Kraftstoff aber ein Mehrkomponentengemisch von zahlreichen Kohlenwasserstoffverbindungen ist, mit Bestandteilen die bei unterschiedlichen Temperaturen sieden, werden im wesentlichen die leichtflüchtigen Bestandteile verdampfen, während die schwerer flüchtigen in flüssiger Form in den Brennraum gelangen. Diese flüssigen Anteile werden an den Brennraumwänden ebenfalls angelagert, und müssen während der Kompressionsphase verdampft werden. Das eine derartige Gemischbildung während der Kompressionsphase stattfindet, wurde für den Extremfall des Kaltstarts eindeutig nachgewiesen. Es findet also eine deutliche Verschiebung des Luftverhältnisses von mageren Werten zu Beginn der Kompressionsphase hin in den fetten Bereich zum Ende der Kompressionsphase statt. Sogar für den betriebwarmen Motor wurde mit Hilfe des Messverfahrens der laserinduzierten Fluoreszenz nachgewiesen, dass Kraftstofftropfen über relativ lange Zeiträume im Brennraum stabil existieren können, wenn der Einspritzzeitpunkt im Zyklus ungünstig gewählt wird. Demzufolge sollte sich der Einfluss einer nicht zufriedenstellenden Gemischbildung, wie sie z.b. beim Warmlauf vorliegt, in dem Betriebsverhalten des Motors eindeutig wiederspiegeln. Die luftunterstützte Einspritzung wurde mit dem natürlichen Druckgefälle des gedrosselten Motors betrieben, in diesem Fall also mit ca. 0,6 bar. Konstante Werte für Kühlmitteltemperatur und Saugrohrdruck waren wesentliche Randbedingungen für diese Untersuchungen, da die Gemischbildungsbedingungen während der Versuche nicht verändert werden sollten. Der gewählte Betriebspunkt entspricht näherungsweise einem Leerlaufpunkt und ist somit testrelevant. Der Einfluss der Kühlmitteltemperatur auf den Luftliefergrad des Motors ist dem Bild 1 zu entnehmen. In dem betrachteten Temperaturbereich ändert sich der Luftliefergrad um ca. 20%. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 Die im folgenden dargestellten Ergebnisse zeigen den Einfluss der Kühlmitteltemperatur in einem Temperaturbereich des Kühlmittels von 21,5 C bis 83 C bei stöchiometrischem Luftverhältnis. In Bild 2 ist der Vergleich des Mitteldruckes für unterschiedliche Kühlmitteltemperaturen, jeweils bezogen auf den Maximalwert bei 83 C Kühlmitteltemperat ur, dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich höhere Luftliefergrade, die sich aufgrund der geringeren Kühlmitteltemperaturen einstellen, nicht in höhere Mitteldrücke, im Vergleich zum betriebwarmen Motor, umsetzen lassen. Für die Kühlmitteltemperaturen 45 C und 83 C ergibt sich ein temperaturb edingter Unterschied im Mitteldruckverlauf wobei allerdings zu erkennen ist, dass sich für diese beiden nahezu parallel verlaufenden Kurven etwa bei gleichem Zündzeitpunkt ein schwach ausgeprägtes Maximum des Mitteldruckes ergibt. Der zugehörige Zündzeitpunkt ist mit ca. 325 KW im typischen Berei ch des betriebswarmen Motors. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Für die Kühlmitteltemperatur von 21,5 C ergibt sich ein steiler Anstieg des Mitteldruckes, der bei einem Zündzeitpunkt von 340 KW zu einem ausgeprägten Max imum führt. Dieser steile Gradient sowie der für einen so niedrigen Lastpunkt recht späte arbeitsoptimale Zündzeitpunkt deutet darauf hin, dass während der Kompressionsphase in erheblichem Umfang die zuvor angesprochenen Gemischbildungsvorgänge im Zylinder stattfinden. Demzufolge bildet das Niveau der Kühlmitteltemperatur und der damit verbundene Einfluss auf die Gemischbildung im Zylinder den dominierenden Faktor. Das heisst, trotz der luftunterstützten Einspritzung wird ein erheblicher Teil der Kraftstofftropfen an den Kanalwänden als Wandfilm angelagert. Hervorgerufen durch die niedrigere Kühlmitteltemperatur ergibt sich eine geringere Wandtemperatur in Einlasskanal und Saugrohr, so dass weniger Kraftstoffwandfilm in diesem Bereich verdampfen kann und deshalb gelangt mehr flüssiger Kraftstoff in den Zylinder der durch die Kompressionswärme aufbereitet werden muss. Die dadurch entstehende, relativ heterogene Kraftstoff-Luft-Mischung im Zylinder führt zu einer schlechteren Verbrennung, als dies bei einem betriebswarmen Motor der Fall ist. Der danach wieder abfallende Ast der Kurve ist auf den bekannten Einfluss der Spätzündung zurückzuführen. Aus den geringeren Mitteldrücken bei den niedrigeren Kühlmitteltemperaturen und der daraus abgeleiteten, schlechteren Gemischbildung muss ein höherer spezifischer Kraftstoffverbrauch resultieren. Das Ergebnis dieses Vergleiches ist in Bild 3 dargestellt. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 Es ist zu erkennen, dass sich das Niveau des spezifischen Kraftstoffverbrauchs mit zunehmender Kühlmitteltemperatur zu geringeren Werten verschiebt. Für eine Kühlmitteltemperatur von 83 C beträgt der spezifische Kraftstoffverbrauch nur etwa 30% des Maximalwertes der sich bei einem Zündzeitpunkt von 350 KW und einer Kühlmitteltemper atur von 21,5 C ergibt, also einem Einstellwert wie er häufig zu finden ist um eine Katalysatorheizfunktion im Warmlauf zu realisieren. Für die beiden Kühlmitteltemperaturen von 83 C und 45 C ist eine n ahezu konstante Differenz über dem gesamten Einstellbereich des Zündzeitpunktes zu beobachten. Weiterhin ist zu erkennen, dass auch die Lage der minimalen Werte gut mit der Lage der maximalen Mitteldrücke korreliert. Der Kurvenverlauf für die Kühlmitteltemperatur von 21,5 C ist wiederum deutli ch in Richtung späterer Zündzeitpunkte verschoben, mit einem ausgeprägten Minimum bei einem Zündzeitpunkt von ca. 340 KW. Auch das ist als Hinweis auf brennrauminterne Gemischbildungvorgänge während der Kompressionsphase zu verstehen. Für den Verlauf der bezogenen spezifischen HC-Emissionen in Bild 4 ergeben sich ähnliche Zusammenhänge wie für den spezifischen Kraftstoffverbrauch. Mit zunehmender Kühlmitteltemperatur werden die HC-Emissionen erwartungsgemäß geringer, und die Punkte minimaler HC-Emissionen decken sich weitgehend mit denen maximaler Mitteldrücke, ebenso ist die bei den anderen Kurven beobachtete Verschiebung der Werte für die niedrigste Kühlmitteltemperatur festzustellen. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 Die in Bild 5 dargestellten Kurvenverläufe für die Entflammungsphase müssen entsprechend der verwendeten Kraftstoffsorte getrennt bewertet werden. Der Vergleich der Werte für 45 C mit denen für 83 C Kühlmitteltemperatur ergibt für den Bereich fr üher Zündwinkel eine um 1 bis 3 KW längere Entflammungsphase während ab ca. 331 KW Zündzeitpun kt, im Bereich größter Annäherung der Mitteldrücke, die Werte nahezu auf gleichem Niveau liegen. Das zeigt, dass ab diesem Zeitpunkt bei 45 C Kühlmitteltemperatur näherungsweise ähnliche E ntflammungsbedingungen vorliegen, wie bei einem betriebswarmen Motor. Für die späteren Zündzeitpunkte ist eine geringfügige Verlängerung der Entflammungsphase zu beobachten. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 Für 21,5 C Kühlmitteltemperatur ergibt sich bereich sweise eine Verschiebung der Entflammungsphase zu kleineren Werten, deren wesentliche Ursache sicherlich in dem verwendeten Winterkraftstoff zu suchen ist. Es ist zu beobachten, dass die Länge der Entflammungsphase bis hin zu einem Zündzeitpunkt von ca. 340 KW deutlich abnimmt, um d ann in der Folge bei späten Zündwinkeln wieder leicht anzusteigen. Daraus resultiert dass die grundsätzlichen Tendenzen, unabhängig von der Kraftstoffcharge, sehr ähnlich sind, ein direkter Vergleich der Werte ist allerdings nicht möglich. Für die in Bild 6 dargestellte Lage des 1%-Energieumsatzes ergibt sich für die frühen Zündwinkel bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen eine Verschiebung in Richtung spät. Im mittleren Bereich sind die Kurven für 83 C und 45 C in etwa auf gleichem Nivea u, das heißt, dort wo für beide Temperaturen die Mitteldrücke am dicht zusammenliegen liegen auch die Werte für 1%-Energieumsatz besonders dicht beieinander. Für die späten Zündzeitpunkte ergibt sich eine leichte Verschiebung nach spät, passend zum Verlauf der Entflammungsphase. Der Verlauf der Kurve für 21,5 C Kühlmitteltemperat ur zeigt wiederum eine Verschiebung in Richtung späterer Zündzeitpunkte, hat aber einen sehr ähnlichen Verlauf. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

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8 Die Auswirkung des Temperaturunterschiedes von 83 C zu 45 C ist an der Lage des 50%-Energieumsatzes deutlich zu erkennen (Bild 7). Die Kurve für 45 C ist im gesamten Bereich nahez u parallel nach spät verschoben, das heißt, die Dauer der Energieumsetzung bis zum 50%-Punkt nimmt mit abnehmender Kühlmitteltemperatur deutlich zu. Auch hier gilt, dass die Punkte mit maximaler Annäherung des Mitteldruckes besonders dicht beisammen liegen, hier jedoch mit erheblich größerem Abstand als bei 1% Energieumsatz. Für die Kühlmitteltemperatur von 21,5 C ergibt sich ein verschobener Kurvenverlauf aufgrund des verwendeten Winterkraftstoffes. Bei den späten Zündzeitpunkten sind die Kurvenverläufe weitgehend parallel zu denen mit höherer Kühlmitteltemperatur, aber bei den frühen Zündzeitpunkten tritt eine deutliche Abweichung auf. Hier ergibt sich ein nahezu waagerechter Verlauf, der durch die Auswirkungen einer noch nicht abgeschlossenen Gemischbildung auf die Energieumsetzung begründet sein dürfte. Bild 8 zeigt den vollständigen Verlauf des Energieumsatzes bei 83 C Kühlmitteltemperatur für den gesamten, betrachteten Zündwinkelbereich. Es ist zu erkennen, dass sich der Motor durchaus typisch verhält, das heißt, die 50%-Linie und die Linie maximaler Energieumsetzungsrate liegen sehr dicht beieinander und für den arbeitsoptimalen Zündzeitpunkt liegt die 50%-Lage der Energieumsetzung bei ca. 372 KW, also in dem Bereich zwischen 368 und 372 KW der im allgemeinen als optimal für Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 8

9 die Energieumsetzung gewertet wird. Mit späterem Zündzeitpunkt verschiebt sich die Energieumsetzung erwartungsgemäß in Richtung spät. In Bild 9 ist die gleiche Darstellung für 45 C Kühlmitteltem peratur zu finden. Auch hier liegen die Linien für 50% Energieumsatz und die Linie maximaler Energieumsetzungsrate bis etwa 334 KW Zündzeitpunkt sehr dicht beieinander, danach verschiebt sich die 50%-Linie in Richtung spät. Für den arbeitsoptimalen Zündzeitpunkt ist der Wert für 50% Energieumsetzung mit etwa 376 KW um 4 KW in Richtung spät verschoben. Auch die 90% Energieumsetzung werden deutlich später erreicht, das heißt, die geringere Kühlmitteltemperatur führt zu einer Verlängerung der Dauer der Energieumsetzung. Bild 10 zeigt die Dauer des Energieumsatzes für eine Kühlmitteltemperatur von 21,5 C. Es ist eine Spätverschiebung des gesamten Energieumsatzes im Vergleich zur Referenzmessung zu erkennen, mit einem ausgeprägten Minimum bei 340 KW, dem arbe itsoptimalen Zündzeitpunkt. Für diesen Zündzeitpunkt ist die 50%-Lage der Energieumsetzung, im Vergleich zum betriebswarmen Motor, um ca. 15 KW nach spät verschoben. Für alle früheren Zündzeitpunkte sind auch die Tendenzen nicht mehr mit denen der höheren Kühlmitteltemperaturen zu vergleichen, weil hier offensichtlich die Gemischbildungsvorgänge im Zylinder nicht beendet sind und dadurch Störungen im Verbrennungsablauf vorliegen. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 9

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