Einfluss von Kraftstoff und Brennverfahren auf die Vorentflammung beim aufgeladenen Ottomotor

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1 Einfluss von Kraftstoff und Brennverfahren auf die Vorentflammung beim aufgeladenen Ottomotor 1

2 Gliederung 1 Einleitung 1.1 Auswirkungen und Ursachen 2 Methoden der Numerischen Analyse und optischen Diagnostik 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse 2.2 Optische Diagnostik 2.3 Einzylinderforschungsmotor 3 Einfluss von Brennverfahren und Gemischbildung 3.1 Motorische Versuchsbedingungen 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse 4 Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf die Vorentflammung 4.1 Motorische Ergebnisse 4.2 Einfluss der Kraftstoffeigenschaften auf die Vorentflammungsneigung 5 Zusammenfassung 2

3 1 Einleitung Ziel: Mehr Leistung, weniger Emissionen Lösungen: Downsizing, Flex-Fuel Problem: Gesteigerte Downsizinggrade und neuartige Kraftstoffe führen zu irregulären Verbrennungen (Vorentflammungen, Glühzündungen) Systematische Untersuchungen des Verbrennungsprozesses notwendig! 3

4 1 Einleitung Vorentflammung: Auswirkung und Ursachen Auswirkung: Abrupte Druckanstiege Klopfen Motorschäden Ursachen: Kohlenstoffhaltige Ablagerungen Partikel- und Tröpfcheninduzierte Zündungen Gemischinhomogenitäten im Brennraum Sporadische Auftreten von Komponenten mit hoher Zundfähigkeit 4

5 1 Einleitung Motorische Parameter Wichtige motorische Parameter sind somit: Ladungsbewegung Gemischhomogenität Brennraumgeometrie Materialien und ihre Temperaturen Kraftstoffeigenschaften Bei konventionellen Ottokraftstoffen nimmt dievorentflammungsneigung mit steigender Oktanzahl ab 5

6 Gliederung 1 Einleitung 2 Methoden der Numerischen Analyse und optischen Diagnostik 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse 2.2 Optische Diagnostik 2.3 Einzylinderforschungsmotor 3 Einfluss von Brennverfahren und Gemischbildung 3.1 Motorische Versuchsbedingungen 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse 4 Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf die Vorentflammung 4.1 Motorische Ergebnisse 4.2 Einfluss der Kraftstoffeigenschaften auf die Vorentflammungsneigung 5 Zusammenfassung 6

7 2 Untersuchungsmethoden Methodik zur Vorentflammungsuntersuchung Das Komplexe Phänomen Vorentflammung erfordert es, bereits in frühen Entwicklungsprozess umfangreiche Analysen durchzuführen und daraus Gegenmaßnahmen abzuleiten. Ein Beispiel hierfür wäre die Methodik der FEV: 1) Analyse der kritischen Komponenten und Identifikation von potentiellen Risiken 2) CAE Analysen und optische Diagnosemethoden CFDR Simulationen Rapid-Prototyping-Motoraufbau 3) Effektive Diagnostik und Trouble-Shooting Multi-Fiber-Zündkerzen Endoskopische Flammenvisualisierung 1+2: Konzeptphase 3: Brennverfahrensentwicklung 7

8 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse Abbildung 1: Schematische Darstellung der gekoppelten CFD, FEA und Reaktionskinetischen Analyse der Vorentflammungsneigung 8

9 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse Abbildung 2: Vergleich der für den mit Modellkraftstoff RON95 berechneten mit der gemessenen Temperaturabhängigkeit der Zündverzugszeit mit Grundkraftstoff E0RON95 9

10 2.2 Optische Diagnostik Untersuchung der Ladungsbewegung, Kraftstoffeinspritzung und der Gemischbildung Optische kurbelwinkelaufgelöste Einzelzyklusanalyse der Wechselwirkung von Ladungsbewegung und Einspritzung Optische Verbrennungsdiagnostik am gefeuerten Motor 10

11 2.2 Optische Diagnostik Abbildung 3: FloTec Aufbau und Ergebnisse 11

12 2.3 Einzylinderforschungsmotor Tabelle 2: Motorische Versuchsbedingungen Tabelle 1:Technische Daten des Einzylinderforschungsmotors 12

13 Gliederung 1 Einleitung 2 Methoden der Numerischen Analyse und optischen Diagnostik 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse 2.2 Optische Diagnostik 2.3 Einzylinderforschungsmotor 3 Einfluss von Brennverfahren und Gemischbildung 3.1 Motorische Versuchsbedingungen 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse 4 Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf die Vorentflammung 4.1 Motorische Ergebnisse 4.2 Einfluss der Kraftstoffeigenschaften auf die Vorentflammungsneigung 5 Zusammenfassung 13

14 3.1 Motorische Versuchsbedingungen Tabelle 2: Motorische Versuchsbedingungen Tabelle 1:Technische Daten des Einzylinderforschungsmotors Versuchsparameter: - Verschiedene Gemischbildner -Verschiedene Kraftstoffe 14

15 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose Abbildung 4: Ausbreitung des Einspritzstrahles beim MHI 7 15

16 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose Abbildung 5: Vorentflammungswahrscheinlichkeit in Abhänigkeit vom Ladedruck 16

17 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose Abbildung 6: Endoskopische Visualisierung der Vorentflammung und ihrer Entstehungsorte 17

18 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Weitere Untersuchung zur Reaktionskinetik-Multizonen-Modellierung Vergleichspunkt: Motorbetriebspunkt beim Ladedruck 1,7 bar Abbildung 7: Gemischbildung der drei MHI 18

19 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse 486 CA 470 CA Abbildung 8: Einspritzstrahl-Wand-interaktion der der DI-Mehrlochinjektorvarianten 19

20 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Abbildung 9: Untersuchung der Vorentflammungsneigung mit der reaktionskinetischen Multizonen-Modellierung 20

21 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Abbildung 10: CFD Vorhersage der globalen Temperaturverteilung und der lokalen Temperaturverteilung bei Kompressionsende 21

22 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Abbildung 11: Orte der Vorentflammungsentstehung 22

23 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Einflüsse des Kraftstoffes auf die Vorentflammung 1) Ölverdampfung infolge der Verdampfung des dünnen Kraftstofffilms 2) Höhere Temperatur im Zündkerzenbereich Vorentflammung 3) Entrainment von Ölkomponenten beim Aufprall des Kraftstoffes an der Laubbuchse Erfassung dieser Einflüsse ist wegen deren Komplexität mit CFDR nicht möglich! 23

24 Gliederung 1 Einleitung 2 Methoden der Numerischen Analyse und optischen Diagnostik 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse 2.2 Optische Diagnostik 2.3 Einzylinderforschungsmotor 3 Einfluss von Brennverfahren und Gemischbildung 3.1 Motorische Versuchsbedingungen 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse 4 Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf die Vorentflammung 4.1 Motorische Ergebnisse 4.2 Einfluss der Kraftstoffeigenschaften auf die Vorentflammungsneigung 5 Zusammenfassung 24

25 4.1 Motorische Ergebnisse Untersuchte Kraftstoffgemische Tabelle 3: Kraftstoffeigenschaften der untersuchten Kraftstoffmischungen 25

26 4.1 Motorische Ergebnisse Abbildung 12: Vorentflammungswahrscheinlichkeit in Abhänigkeit vom Ladedruck Erhöhung des Ladedruckes Stufenweise bis zur kritischen Vorentflammungshäufigkei (2%) Bei Direkteinspritzung entsteht eine bessere Ladungskühlung 26

27 4.1 Motorische Ergebnisse Abbildung 11: Orte der Vorentflammungsentstehung 27

28 Gliederung 1 Einleitung 2 Methoden der Numerischen Analyse und optischen Diagnostik 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse 2.2 Optische Diagnostik 2.3 Einzylinderforschungsmotor 3 Einfluss von Brennverfahren und Gemischbildung 3.1 Motorische Versuchsbedingungen 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse 4 Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf die Vorentflammung 4.1 Motorische Ergebnisse 4.2 Einfluss der Kraftstoffeigenschaften auf die Vorentflammungsneigung 5 Zusammenfassung 28

29 5 Zusammenfassung Vorentflammung ist ein komplexes phänomen mit unterschiedlichen Ursachen Zur Erfassung ist eine Kombination aus Motorversuche, optischen Versuchen und CFDR Untersuchungen erforderlich Durch eine optimale Injektoreinrichtung und Einspritzcharakteristik können folgende Vorteile erziehlt werden: Weniger Kraftstofffilm auf der Laufbuchse Geringere Vorentflammungsneigung Höhere Ladedrücke Die Zugabe von Ethanol zum Kraftstoff bringt folgende Vorteile mit sich: Geringere Vorentflammungsneigung Weitere Steigerung der Ladedrücke Reduzierung der CO2-Emission 29

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 30