Measurements of engine gas temperature, velocities and early flame propagation
Final Report Abstract
In der letzten Förderperiode des Forschungsprojekts über die Gemischbildung und Verbrennung einer räumlichen Trennung von Vor- und Haupteinspritzung in einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung wurde basierend auf den Ergebnissen der ersten Förderperiode eine weitere Optimierung dieser neuen Einspritzstrategie als zielführend herausgearbeitet. Neben dem Aspekt der nochmals verbesserten Resultate lag in dieser Förderperiode ein wichtiger Themenschwerpunkt in der Beurteilung und Analyse der Gemischbildung, wozu diverse optische Untersuchungen notwendig waren. Untersuchungen zur Brennraumströmung sowohl optischer als auch numerischer Art in dem verwendeten Forschungsaggregat zeigten, dass die Strömung einen zu vernachlässigenden Einfluss auf die Gemischbildung beiträgt. Weitere optische Untersuchungen zur Darstellung der Flüssigphase der Haupteinspritzung im Brennraum gaben Einblicke in die Unterschiede mit und ohne räumlich getrennte Voreinspritzung. Bei der neuen Einspritzstrategie mit räumlicher Trennung der Voreinspritzung – im Folgenden ASIS genannt – ergibt sich bei gleichem Einspritzdruck eine kürzere Strahllänge im Brennraum als beim Betrieb mit konventioneller Voreinspritzung – im Folgenden CIS genannt – durch den zentral sitzenden Injektor, so dass hier von einer besseren Verdampfung ausgegangen werden kann, was die Gemischbildung positiv beeinflusst. Die Flammenvisualisierung zeigte, dass bei räumlich getrennter Voreinspritzung in das Brennraumzentrum sich ein sogenannter Hot Spot im Zentrum um die Düsenspitze des Hauptinjektors herum entsteht. Die Haupteinspritzung erfolgt direkt durch den Hot Spot hindurch, was die Verdampfungsrate ansteigen lässt. Damit erklärt sich die verringerte Strahlpenetration der Haupteinspritzung mit der ASIS-Strategie. Die thermodynamischen Untersuchungen hinsichtlich Optimierung der Schadstoffemissionen bei gleichbleibenden Geräuschemissionen haben deutliche Vorteile gezeigt. Mit den Empfehlungen einer konstruktiven Umstellung der räumlich getrennten Voreinspritzung aus der vorangegangenen Förderphase konnte der Lastbereich, in dem Reduktionen hinsichtlich der Schadstoffemissionen bei gleichbleibenden Geräuschemissionen zu vermessen waren, im Gegensatz zu den Ergebnissen der vorangegangenen Förderphase deutlich nach oben ausgeweitet werden. Über aufwendige experimentelle Untersuchungen wurden die vorzunehmenden die Voreinspritzung betreffenden Unterschiede der beiden verschiedenen Einspritzstrategien eingehend untersucht. Bei der neuen Einspritzstrategie mit der aktuellen Düsenkonfiguration und dem neuen Spritzbilddesign ist es möglich, die Voreinspritzmenge deutlich zu erhöhen. Der Abstand zur Haupteinspritzung musste dabei für gleichbleibende Geräuschemissionen vergrößert werden. Um den Benefit der neuen Einspritzstrategie besser darstellen zu können, wurde über eine Variation der AGR-Rate das neue Einspritzverfahren auf entweder gleiche Ruß- oder gleiche Stickoxid-Emissionen eingestellt. Durch die verbesserte AGR-Toleranz konnte bei Einstellung auf dem gleichen Ruß-Emissionslevel eine besonders hohe Stickoxid-Reduktion erreicht werden. Die Reduktion von Ruß lag hierbei je nach Last- und Drehzahlbereich zwischen 38% und 66%, bei Einstellung auf gleiche Ruß-Emissionen wurde dagegen eine Reduktion der Stickoxide von 48% bis 71% fest gestellt. Bei beiden Varianten der räumlich getrennten Voreinspritzung konnte man feststellen, dass eine Optimierung des Ruß-Stickoxid-Trade-offs zu höheren Lasten hin mehr Erfolg hatte als zu niedrigeren Lasten, wobei die absoluten Werte der Schadstoffreduktion in beiden Fällen eine signifikante Schadstoffemissionsreduktion darstellen. Weiterhin konnte man in allen Fällen eine Reduktion der Kohlenmonoxidemissionen feststellen, auch hier bei höheren Lasten mehr als bei niedrigen. Die Geräuschemissionen wurden dabei in allen Fällen auf dem Level der konventionellen Voreinspritzung oder sogar geringfügig niedriger gehalten. Die gemeinsamen geplanten Untersuchungen mit dem DEFO-Projekt der IAD der TU Dresden wurden mit einer druckmodulierten Einspritzverlaufsformung an der Haupteinspritzung durchgeführt. Sowohl bei der konventionellen als auch bei der räumlich getrennten Voreinspritzung wurden hier signifikante Verbesserungen in den zu optimierenden Größen und ihren Zielkonflikten, nämlich zwischen Ruß und Stickoxid als auch zwischen Ruß und Geräuschkomfort, fest gestellt. Die Simulation gab Aufschluss über die lokale Gemischaufbereitung im Brennraum. Die Ergebnisse der Flammenvisualisierung mit der Detektion des Hot Spots im Brennraumzentrum um die Düsenspitze des Hauptinjektors decken sich mit den Daten der Simulation. Es konnten in diesem Brennraumbereich stark erhöhte Temperaturen dargestellt werden. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die untersuchte neue Einspritzstrategie mit räumlicher Trennung der Vor- und Haupteinspritzung eine optimierte Homogenisierung der Gemischbildung im Dieselmotor mit Direkteinspritzung ermöglicht. Durch die innermotorische Reduzierung von Ruß oder Stickoxiden kann so auf die entsprechende Abgasnachbehandlung verzichtet werden, was eine Ersparnis an System- und Verbrauchskosten darstellt.
Publications
- „Influence of Different Injection Pressures for a New Split Injection Strategy”; Thermo and fluid dynamic processes in direct injection engines; THIESEL conference; Valencia; September 2012
Binde A., Dörner D., Zellbeck H., Wagner U., Spicher U.
- „NOx Reduction by a New Split Injection Strategy”; SIA Diesel Powertrain Conference, Rouen, Juli 2012
Binde A., Wagner U.
- „Soot and NOx Reduction by a Spatially Separated Pilot Injection“; SAE paper 2012-01-1159; SAE World Congress 2012; Detroit; April 2012
Binde A., Busch S., Velji A., Wagner U.
