Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren: Einfluss auf die Rußemission PDF
Preview Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren: Einfluss auf die Rußemission
YvanGauthier Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren VIEWEG+TEUBNER RESEARCH Yvan Gauthier Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren Einfluss auf die Rußemission VIEWEG+TEUBNER RESEARCH Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek DieDeutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation inder Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internetüber <http://dnb.d-nb.de>abrufbar. 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 DasWerkeinschließlich aller seinerTeileist urheberrechtlichgeschützt. JedeVerwertungaußerhalbderengenGrenzendesUrheberrechtsgeset zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Dasgilt insbesonderefür Vervielfältigungen, Übersetzungen,Mikroverfilmungen unddie Einspeicherung undVerarbeitung inelektronischen Systemen. DieWiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen,Warenbezeichnungen usw.in die sem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zuder Annahme, dass solche NamenimSinnederWarenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebungalsfrei zube trachten wären unddaher vonjedermann benutztwerden dürften. 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
The list of books you might like
