Einfluss von Kraftstoff und Brennverfahren auf die Vorentflammung
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Einfluss von Kraftstoff und Brennverfahren auf die Vorentflammung beim aufgeladenen Ottomotor Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 1 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 2 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! Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 3 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 4 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 5 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 6 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 1+2: Konzeptphase 3: Brennverfahrensentwicklung 7 2.1 CFDR-basierte Vorentflammungs-Analyse Abbildung 1: Schematische Darstellung der gekoppelten CFD, FEA und Reaktionskinetischen Analyse der Vorentflammungsneigung Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 8 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 9 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 10 2.2 Optische Diagnostik Abbildung 3: FloTec Aufbau und Ergebnisse Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 11 2.3 Einzylinderforschungsmotor Tabelle 2: Motorische Versuchsbedingungen Tabelle 1:Technische Daten des Einzylinderforschungsmotors Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 12 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 13 3.1 Motorische Versuchsbedingungen Tabelle 2: Motorische Versuchsbedingungen Tabelle 1:Technische Daten des Einzylinderforschungsmotors Versuchsparameter: - Verschiedene Gemischbildner -Verschiedene Kraftstoffe Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 14 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose Abbildung 4: Ausbreitung des Einspritzstrahles beim MHI 7 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 15 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose Abbildung 5: Vorentflammungswahrscheinlichkeit in Abhänigkeit vom Ladedruck Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 16 3.2 Ergebnisse der optischen Diagnose Abbildung 6: Endoskopische Visualisierung der Vorentflammung und ihrer Entstehungsorte Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 17 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 18 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse 486 °CA 470 °CA Abbildung 8: Einspritzstrahl-Wand-interaktion der der DI-Mehrlochinjektorvarianten Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 19 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Abbildung 9: Untersuchung der Vorentflammungsneigung mit der reaktionskinetischen Multizonen-Modellierung Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 20 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Abbildung 10: CFD Vorhersage der globalen Temperaturverteilung und der lokalen Temperaturverteilung bei Kompressionsende Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 21 3.3 Ergebnisse kombinierter CFD und reaktionskinetischer Analyse Abbildung 11: Orte der Vorentflammungsentstehung Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 22 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! Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 23 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 24 4.1 Motorische Ergebnisse Untersuchte Kraftstoffgemische Tabelle 3: Kraftstoffeigenschaften der untersuchten Kraftstoffmischungen Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 25 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 26 4.1 Motorische Ergebnisse Abbildung 11: Orte der Vorentflammungsentstehung Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 27 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 28 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 Vortrag zur Vorlesung Kolbenmaschinen WS 13/14 Maxim Sein, Andrej Baumbach 29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 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