Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren: Einfluss auf die Rußemission

219 Pages·2010·46.648 MB·German

by  Yvan Gauthier (auth.)

YvanGauthier
Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren
VIEWEG+TEUBNER RESEARCH
Yvan Gauthier
Einspritzdruck
bei modernen
PKW-Dieselmotoren
Einfluss auf die Rußemission
VIEWEG+TEUBNER RESEARCH
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Dissertation Helmut-Schmidt-Universität/Universitätder Bundeswehr Hamburg, 2009
1.Auflage 2009
Alle Rechtevorbehalten
© Vieweg+TeubnerIGWVFachverlageGmbH,Wiesbaden 2009
Lektorat: Dorothee Koch/ Britta Göhrisch-Radmacher
Vieweg+Teubnerist Teilder Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.
www.viewegteubner.de
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Umschlaggestaltung:KünkelLopka Medienentwicklung,Heidelberg
Druck und buchbinderischeVerarbeitung:STRAUSSGMBH,Mörlenbach
Gedrucktauf säurefreiem undchlorfrei gebleichtem Papier.
Printed inGermany
ISBN978-3-8348-0936-0
Vorwort
"Ichglaube,manmüsste - umwirklich vorwärts zukommen- wiederein
allgemeines, derNaturabgelauschtes Prinzip finden."
AlbertEinstein
ineinemBriefanSeinem FreundWeylimJahr 1922
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit im Motorenprüf
feld des Geschäftsbereichs Diesel Systems der Firma Robert Bosch GmbH in
Stuttgart-Feuerbach. Betreut wurdesiedurch denFachbereichMaschinenbau der
Helmut-Schmidt-UniversitätI Universität derBundeswehr Hamburg.
Herrn Prof.Dr.-Ing. W.Thiemann gilt mein besonderer Dank für die Anregung
zu dieser Arbeit, für die stetige und wohlwollende Unterstützung, sowie für die
Durchsicht der schriftlichen Fassung.Herrn Prof.Dr.-lng.F.Joos danke ich für
die ÜbernahmedesKorreferates unddas Interesse anmeiner Arbeit.
Mein Dankgiltferner Herrn Dr.-Ing.F.Wirbeleit, Herrn Dipl. lng.D.Naber und
Herrn Dipl.-Ing. l-O.Stein, die mich seitens der Robert Bosch GmbH betreut
haben und bei der Durchführung dieser Arbeit unterstützten. Der Firma Robert
Bosch GmbH danke ich für die Bereitstellung des Versuchsträgers, speziell
möchte ichHerrnDr-Ing. M.Dürnholz fürdieFörderung dieser Arbeitdanken.
Ganz herzlich danke ich den Herren Dipl.-Ing. (FH) S.Feuerstack, Dipl.-Ing.
D.Nolz,Dipl.-Ing.C.Kluck,die durch ihre Diplomarbeiten zum Fortschritt der
Untersuchungen beigetragen haben. Den Kollegen der Gruppe DS/EVL2 sowie
allen anderen Mitarbeitern der Robert Bosch GmbH, die mir bei der Durchfüh
rung der Versuche zur Seite standen, entrichte ich meinen Dank für ihre entge
gengebrachte Unterstützung, für ihre Ratschläge, für ihre wertvollen Diskussi
onsbeiträge zudieser Arbeit sowie fürdasstets angenehme Arbeitsklima.
Ganz besonders bedanke ich mich bei meiner Frau für die geleistete Hilfe und
dieliebevolle Unterstützung.
YvanGauthier
Inhaltsverzeichnis
Verwendete Abkürzungen und Symbole IX
Abbildungsverzeichnis XIII
Einleitung I
2 Rußemission beiderdieselmotorischen Verbrennung 7
2.I MolekulareRußbildung 7
2.2 Phänomenologische Rußmodelle 9
2.3 Erfassung derRußemission imAbgas 14
3 Modelle dereinspritzstrahlgeftihrtenGemischbildung 17
3.1 Freistrahlausbreitung 18
3.2 Spray/Wand-Wechselwirkung 33
4 Einflußderexternen AbgasrückftihrungaufdieRußemission 39
4.1 Einfluß der Stoffzusammensetzungdes angesaugtenGasgemisches 39
4.1.1 Herabsetzungder Verbrennungstemperatur
durch den Abgasanteil .40
4.1.2 Luftverhältnis AGfürdas GasgemischausLuft
und rückgeftihrtem Abgas 54
4.2 Einfluss des Luftverhältnisses 60
4.2.1 Luftverhältnisabsenkungdurch Abgasrückftihrung
unddurch Lastanhebung 61
4.2.2 Bestimmungdes LuftverhältnissesanderRußgrenze 70
VIII Inhaltsverzeichnis
5 Einfluss desEinspritzdrucks aufdie Rußemission 75
5.1 Bestimmungdesmittleren Einspritzdrucks derHaupteinspritzung 75
5.1.1 Methode mitgemessenem Raildruck fürCRI3.0 77
5.1.2 Methode mit gemessenemDüsenraumdruckfürHADl.. 81
5.2 Gesetzmäßigkeitdes Rußverhaltensbei Steigerungdes Einspritzdrucks.87
5.2.1 EmpirischeFormulierungdesRußverhaltensbeim
Motorbetriebohne Abgasrückführung 87
5.2.2 Empirische Formulierungdes Rußverhaltensbeim
MotorbetriebmitAbgasrückführung 105
6 Modell fürdasZweiphasengebietinnerhalbdes Kraftstoffstrahls 111
6.1 Mittlere GeschwindigkeitdesEinspritzstrah1s 111
6.2 Mittlere Dichte derGasphase des Einspritzstrah1s 121
7 Va1idierungdesModells durch motorische Untersuchungen .133
7.1 Variation der Düsenparameterhydr. Durchfluss und Lochanzahl 133
7.2 Variation derMotorparameterDüsenüberstand undDrallströmung 149
8 Zusammenfassung 169
9 Anhang 173
10 Literaturverzeichnis 199
Verwendete Abkürzungen und Symbole
Abkürzungen
Bezeichnung Einheit Bedeutung
ABHE °KW AnsteuerbeginnderHaupteinspritzung
ABVE °KW AbsteuerbeginnderVoreinspritzung
ADHE IlS AnsteuerdauerderHaupteinspritzung
ADVE IlS AnsteuerdauerderVoreinspritzung
AMESim - SimulationstoolfürHydraulikkomponente
AVL - Firma,diediePrüfstandsmessgeräteherstellt
CAD - RechnergestütztesZeichnungsherstellung
CRI3.0 - BoschCommon-Rail-Injektormitmax.1600bar
CRS3.3 - BoschCommon-Rail-Systemmitmax.2000bar
DI - Direkteinspritzung
DPF - Diese1-PartikeIfilter
ETH - EidgenossischeTechnischeHochschule inZürich
EU - EuropäischeUnion
EUROV - Richtlinieder EU-Emissionsgrenzwertab2009
FSN - FilterSmokeNumber
GSU - GeometrischerStrahlursprung
HADI - High-pressureAmplifiedDieselInjector
JANAF - JointArmyNavyAirForce
MI - MainInjeetion(Haupteinspritzung)
MNEFZ - EuropäischerFahrzyklusfürAbgastest
MTS - Massenträgheitsschwerpunkt
NASA - National AeronautiesandSpaeeAdministration
NKW - NutzlastKraftWagen
OT - ObererTotpunkt(zOT:OTmitZündung)
PAK - PolyzyklischerAromatischerKohlenwasserstoffe
PI - PilotInjection(Voreinspritzung)
PKW - PersonenKraftWagen
PM - PartieulateMalter
SMD - mittlererSauterdurchmesser
UT - UntererTotpunkt
VdW - VanderWaals'seherAnsatzfürRealgasgleichung
C - Kohlenstoff
C,H2 - Acethylen
CO - Kohlenmonoxid
CO, - Kohlendioxidmolekül
H - Wasserstoff
HC - Kohlenwasserstoff
H,O - Wassermolekül
N, - Stickstoff
NO - Stickstoffmonoxid
NO, - Stickstoffdioxid
NO, - Stickoxide
O2 - Sauerstoffmolekül
OH - Hydroxylradikal
x
Abkürzungen undSymbole
Formelzeichen
Bezeichnung Einheit Bedeutung
Go kg·m5/kmoF/s2 KohäsionsdruckfürLuftalsVdW-Realgas
A,(x) m2 Strahlquerschnittsanteilmit Luft,Abstandx
ABildung - Koeffizient fürdieRußbildung
AOxidation - Koeffizientfürdie Rußoxidation
GD kg-mvkmolvs? Kohäsionsdruckfürn-TridekanalsVdW-Realgas
A.(O) m2 StrahlquerschnittsanteilmitKraftstoff,Lochaustritt
A.(x) m2 Strahlquerschnittsanteilmit Kraftstoff,Abstandx
i; mvkg KovolumenfürLuftalsVdW-Realgas
bD mvkg Kovolumenfürn-TridekanalsVdW-Realgas
b, g/kWh indizierterKraftstoffverbrauch
c, m/s axialeStrömungsgeschwindigkeit,Drallmessungnach
Thien
Cm rnIs mittlereKolbengeschwindigkeitimZylinder
cI' J/(kg·K) spezifischeWärmekapazitätbeikonstantemDruck
CSL - FlächenkontraktionsbeiwertdurchdieSpritzlochgeometrie
Cu rnIs Umfangsgeschwindigkeitder DrallströmungnachThien
c, - GeschwindigkeitsbeiwertdurchdieSpritzlochgeometrie
Cw - StrömungswiderstandsbeiwertinNewton'scherGleichung
- Geometriebeiwertfürdie Spritzlochgeometrienach Siebcrs
Ca
dpZyiinde/da barfOKW GradientdesZylinderdruckesüberGradKurbelwinkc1
d J.lm geometrischerSpritzloehaustrittsdurehmesser
SL
dt s infinitesimalkleinesZeitintervall
dr J.lm Tropfendurchmesser
d32 J.lm SauterdurehmesserderTropfeninGleichung3.5
da Grad infinitesimalkleinesKurbc1winkc1intervall
F N KohäsionskraftderFlüssigkeitströpfchen
K
Fw N aerodynamischeStrömungswiderstandskraft
Ew(Obisx) N kumulierteStrömungswiderstandskraftzwischen0undx
Ir kg/(m2·s) Vektor der Impulsdichte
ho J EnthalpiedesimStrahlgesaugtenGasesausderUmgebung
H/C - molares Verhältnisvon WasserundKohlenstoff
HFR em3/30s/IOobar hydraulischerDurchflussderEinspritzdüsebeiL'>p= 100bar
hK J Enthalpiedes flüssigen KraftstoffsimEinspritzstrahl
J(a) mm' MassenträgheitsmomentbeiderKurbc1winkc1stellungo.
k - KonstanteimStrahlgeschwindigkeitsmodell
ks - KonizitätderSpritzlochgeometrie, strömungsoptimiert
lFI mm maximaleEindringtiefederFlüssigkeitim Einspritzstrahl
L.'I - stöchiometrischerLuftbedarf
m,(x) kg/s Massenstrom aneingesaugtenGas imEinspritzstrahlbeix
nlA, mAbgas kg/s Abgasmassenstrom
m!ü, mg/AS externrüekgeftihrteAbgasmasseproArbeitspiel
mB mg/AS eingespritzte KraftstoffmasseproArbeitspic1
mD kg/s MassenstromvonKraftstoffdampf
inFI kg/s Massenstromvonflüssigem Kraftstoff
mg mg/AS gesamteangesaugteGasmasseimZylinderproArbeitspiel
ini kg/s angesaugterGasmassenstrom, Ventilhubstellungi
inK(x) kg/s Massenstromvonflüssigem Kraftstoffbeix
nJL,mLuft mg/AS angesaugte LuftmasseproArbeitspic1
Abkürzungen undSymbole Xl
mo, mgiAS angesaugte SauerstoffmasseproArbeitspiel
M kglkmol MoIrnasse
n U/min Motordrehzahl
nSL - AnzahlDüsenlöcher
a,
n(drJ - AnzahlderTropfenmitdem Durch- messer
p, bar DruckdesindenStrahl gesaugtenGasesausderUmgebung
Po bar DruckdesKraftstoffdampfesimStrahl
bar Einspritzdruck
Plnj
pKammer bar 8rennkammerdruek
pme bar effektiverMitteldruck
pmi bar indizierterMitteldruck
pNorm bar DruckniveauimNormzustand
bar DruckimCommonRail
PRail
p, bar SättigungsdruckdesKraftstoffdampfesimStrahl
PSackloch bar Druck imDüsensackloch
PStrahl bar GesamtdruckimGasstrahl
p, bar Zylinderdruck
Qhyd cm3/30s1IOübar hydraulischer Durchfluss der Düsebeit1p= 100bar
"Verdampfung kJ/kg Verdampfungsenthalpie proKilogramm
R, J/(kg-K) spezifischeGaskonstantederLuft
Ro J/(kg-K) spezifischeGaskonstante desdampf-förmigenn-Tridekans
Ruß gRuß/kgFuel emittierteRußmasseimAbgaspro KilogrammKraftstoff
s(a) mm Kolbenhubander Kurbelwinkelstellunga
52 FSN SchwärzungszahlnachdemFiltermeßprinzipvonBosch
t s Zeit
t; K Temperaturder imEinspritzstrahleingesaugteLuft
K TemperaturdesKraftstoffsimStrahlamSpritzlochaustritt
Taus
t; K TemperaturdesKraftstoffdampfesimEinspritzstrahl
K TemperaturdesvomEinspritzstrahlumgebendenGases
TKammer
Tmin K minimale BildungstemperaturdesRußes
TKorm K TemperaturdesGasesimNormzustand
TStrahl K TemperaturimGasstrahl
t, K SältigungstemperaturdesKraftstoffdampfesimStrahl
t; K Verdampfungstemperatur
o.;
m/s GeschwindigkeitdesStrahlsamSpritzlochaustritt
U(x) m/s Geschwindigkeitdesausgebildeten EinspritzstrahIsbeix
U(x/2) m/s Geschwindigkeitdesausgebildeten Einspritzstrahlsbeix/2
Umfang(x) m Umfang desEinspritzstrahlsquer zurMittenachsebeix
UT m/s GeschwindigkeitdesTropfens
V, cm3 Kompressionsendvolumen
VolT m3 effektiverMeßvolumenbeidem Filtermeßprinzipvon
Bosch
VO",m.(a) cm3 Volumendes8rennraumsbeiKurbelwinkelstellung a
Vh cm3 Hubraum
I( mvs VolumenstromdesAnsauggasesbeiVentilhubsteIlungi
Vs m3 angesaugte GasvolumendesFiltermeßprinzipsvonBosch
m/s GeschwindigkeitdesEinspritzstrahls
VStrahl
VT m3 Totvolumenbeidem FiltermeßprinzipvonBosch
We - Weberzahl
x mm PositionaufderMiltenachsedesEinspritzstrahIs