Partikelemissionsuntersuchungen an einem Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung und aufgeladenem Magerbetrieb

160 Pages·2017·8.775 MB·German

by  Marta Cudeiro Torruella (auth.)

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Marta Cudeiro Torruella
Partikelemissions-
untersuchungen an
einem Ottomotor mit
Benzindirekteinspritzung
und aufgeladenem
Magerbetrieb
Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Herausgegeben von
M. Bargende, Stuttgart, Deutschland
H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland
J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Universi -
tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit
mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr-
zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen, Fahr-
zeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus-
arbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simulation.
Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH),
Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertragung
sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und
batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten.
Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensent-
wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich
minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und
-strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen
Fragestellungen.
Themen der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwareent-
wicklung sowie Test und Diagnose.
Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unter-
stützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimula-
tor, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aero-
akustikwindkanal.
Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert
über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb-
nisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Lehrstuhl Kraftfahrwesen,
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik,
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Marta Cudeiro Torruella
Partikelemissions ­
untersuchungen an
einem Ottomotor mit
Benzindirekteinspritzung
und aufgeladenem
Magerbetrieb
Marta Cudeiro Torruella
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2016
D93
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-17186-5 ISBN 978-3-658-17187-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-17187-2
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Caminante,sontushuellas
elcamino,ynadamás;
caminante,nohaycamino;
sehacecaminoalandar.
“Cantares”,vonAntonioMachado
Vorwort
DievorliegendeArbeitentstandwährendmeinerZeitalswissenschaftlicheMitarbeiterinbeider
DaimlerAGinderMercedes-BenzOttomotorenentwicklung.MeinbesondersherzlicherDank
giltzunächstHerrnProf.M.BargendefürdieÜbernahmederwissenschaftlichenBetreuung,
fürseinewertvollenAnregungenundRatschläge,sowiefürdasentgegengebrachteVertrauen.
FernermöchteichHerrnProf.U.SpicherfürdasInteresseandieserArbeitunddiebereitwillige
ÜbernahmedesKorreferatsdanken.
BesondersmöchteichmichbeiallenKollegenderDaimlerAGbedanken,diezumGelingen
dieser Arbeit beigetragen haben. Mein Dank gilt Herrn A. Waltner für das in mich gesetzte
Vertrauen.FürdieInitiierungdiesesForschungsthemas,dieDiskussions-undHilfsbereitschaft
möchte ich Herrn Dr. Jürgen Fischer besonders danken. Die Betreuung bei der Daimler AG
übernahmHerrDr.WernerSauter.NebendensehranregendenundwertvollenDiskussionen
möchteichmichauchfürseineGeduld,beiderKorrekturmeinerArbeit,herzlichbedanken.Für
dieUnterstützungbeidenMessungenmitoptischerSondermesstechnikdankeichdenHerren
Dr.EberhardKrausundHorstPrilop.WeitergehtmeinDankandieKollegenderForschung
Dr.C.KrügerundDr.JürgenSchorr.DesWeiterenmöchteichdenHerrenFlorianDörrer,Kai
GouundStefanDemelfürdieguteZusammenarbeitundUnterstützungdurchdieAnfertigung
von Studienarbeiten unter meiner Betreuung danken. Auch möchte ich mich bei meinem
DoktorandenvorgängerDr.ThomasReckbedanken,dermirmitzahlreichenRatschlägendie
FertigstellungderDissertationunendlicherleichterte.
AndieserStellerichtetsichmeinherzlichsterDankanmeinenKollegenDr.PeterHohnerfür
seineintensivefachlicheundgrammatikalischeVorkorrekturwährendderletztenPhasedieser
Arbeit.SeineUnterstützunginbeispielloserFormwareinAntrieb,inverzweifeltenStunden,
weiterzuarbeiten. Herzlichen Dank für seine Freundschaft und jeden anderen wertvollen,
unterstützendenBeistand.OhneihnwäredieArbeitnichtzustandegekommen.
Graciasamispadres,MaríaTeresayJoseLuisporalentarmeenladecisióndeiniciaresteviaje.
Suapoyoincondicionalyconviccióninquebrantablemehanayudadoasuperarlosmomentosde
dudasydesánimo.Ellosmehanregaladolaperspectivacuandosólosentíaeltiempoescaparse
entremismanos.Ahoraesunaobraterminada,gracias.Soismimejorejemplodehumildad,
disciplinayperseverancia.Unodelasmayoressatisfaccionesdemividahabrásidohaceros
sentirorgullososdemí.Osquiero.
Stuttgart_______________________________________v_________MartaCudeiroTorruella
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
Nomenklatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIX
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X. XIII
1 EinleitungundAufgabenstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 GrundlagenderGemischbildungundVerbrennunginOttomotoren. . . . . . . . . 3
2.1 GrundlagenderstrahlgeführtenBenzindirekteinspritzung . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 ThermodynamikdesMagerbrennverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 CharakterisierungderLadungsbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 InnermotorischeSchadstoffentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 GasförmigeEmissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 GrundlagenderRußbildungund-oxidation . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 ThermodynamischeundchemischeAspektederRußbildung . . . . . . 15
2.2.4 PartikelemissionbeiOttomotorenmitDirekteinspritzung . . . . . . . . 17
3 VersuchsaufbauundMessverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 VersuchsaggregateundPrüfstandsaufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Vierzylinderottomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.2 Einzylinder-Transparentaggregat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.3 MesstechnikaminstationärenMotorprüfstand . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.4 KonstruktiveMaßnahmenzurBeeinflussungderLadungsbewegung . . 28
3.2 GrundlagenderPartikelmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 HerkömmlicheMessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 AlternativeMessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 OptischePartikelmessverfahrenundAnalysemethoden . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 StrahlungseigenschaftenvonVerbrennungsflammen. . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Zweifarbenmethode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.3 LaserinduzierteInkadeszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.4 HochgeschwindigkeitsvisualisierungderVerbrennung . . . . . . . . . 42
4 UntersuchungenderPartikeleigenschaftenbeimotorischerVerbrennung. . . . . 49
4.1 CharakterisierungderPartikelgrößenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 KalterMotorbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.2 Schichtbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 TheoretischeBestimmungderPartikelmasseimSchichtbetrieb . . . . . . . . . 61
4.2.1 VersuchsdurchführungundAuswerteverfahren . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2 ErmittlungdereffektivenPartikeldichteundderPartikelmasse . . . . . 65
5 OptischeUntersuchungderPartikelentstehungimSchichtbetrieb. . . . . . . . . . . 71
5.1 EinflussmotorischerParameteraufdiePartikelentstehung. . . . . . . . . . . . 71
5.1.1 EinflussderVerbrennungsschwerpunktlage . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.2 EinflussdesLuftverhältnisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
X Inhaltsverzeichnis
5.1.3 Einfluss des Kurbelwinkelabstands zwischen der Einspritzung zur
(cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1)
Zündung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.4 EinflussderEinlasssteuerzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 WechselwirkungenzwischenEinspritzungundRußentstehung . . . . . . . . . 82
5.2.1 Thermodynamischeund optische Charakterisierung der
Einspritzstrahlgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.2 ArbeitsspielaufgelösteCharakterisierungderRußstrahlung . . . . . . . 89
5.3 VariationderZylinderinnenströmungdurchkonstruktiveMaßnahmen . . . . . 91
5.3.1 EinflussaufdieEinspritzstrahlgeometrie. . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.2 EinflussaufdenVerbrennungsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3.3 EinflussaufdieinnermotorischeRußstrahlungunddiePartikelemission 100
6 LaserbasierteErfassungdesAbgasrußesimSchichtbetrieb. . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1 ZielsetzungundVersuchsdurchführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.1.2 VergleichbarkeitderoptischenMesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1.3 SensitivitätsanalysederRußerfassungimAbgas . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 KorrelationzwischenRußkonzentrationimBrennraumundimAbgas . . . . . 114
6.2.1 AnalysederZyklusschwankungenimAbgasruß . . . . . . . . . . . . 114
6.2.2 StatistischeAnalysederauffälligenArbeitsspiele . . . . . . . . . . . . 117
6.2.3 VergleichderVersuchsaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7 ZusammenfassungundAusblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Literaturverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (cid:20)(cid:22)(cid:20)
A Anhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (cid:20)4(cid:22)
Abbildungsverzeichnis
2.1 Kreisprozess(cid:1)eines(cid:1)Ottomotors(cid:1)mit(cid:1)stöchiometrischer(cid:1)(links)(cid:1)und
überstöchiometrischerVerbrennung(rechts)[159] . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Brennverfahren von Ottomotoren mit Direkteinspritzung und
Schichtladungsfähigkeit[166] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Schematische(cid:1)Darstellung(cid:1)der(cid:1)Zylinderinnenströmung.(cid:1)Tumble-(cid:1)(links)(cid:1)und
Drall-Ladungsbewegung(rechts)[40] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Schadstoffemissionen(cid:1)in(cid:1)Abhängigkeit(cid:1)vom(cid:1)Luftverhältnis(cid:1)λ(cid:1)an(cid:1)einem(cid:1)
Vierzylinderottomotor(cid:1)mit(cid:1)Direkteinspritzung(cid:1)und(cid:1)strahlgeführtem
Brennverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 SchematischeDarstellungderPartikelbildungsmechanismen[12] . . . . . . . 12
2.6 HACA-Reaktion (links) und Polymerisationprozess (rechts) des planaren
(cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1)
WachstumsderPAK[38] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7 Abhängigkeit(cid:1)der(cid:1)Rußbildung(cid:1)bei(cid:1)vorgemischten(cid:1)Flammen(cid:1)von(cid:1)der
VerbrennungstemperaturunddemC/O-Verhältnis[42] . . . . . . . . . . . . . 15
2.8 DarstellungderFlammeeinerKerzemitdiffusiverVerbrennung . . . . . . . . 16
2.9 Sättigungsgrad und räumliche Darstellung azyklischer und aromatischer
Kohlenwassers(cid:1)toffe(cid:1)undderenR(cid:1) ußneigung[(cid:1)47,82] . . (cid:1). . .(cid:1). . . . . . . . . . 17
2.10 RepräsentativePartikelgrößenverteilungnach[68]und[127] . . . . . . . . . . 20
3.1 Brennraumkonfiguration(cid:1)des(cid:1)Mercedes-Benz(cid:1)Vierzylinderottomotors(cid:1)mit
AbgasturboaufladungundstrahlgeführtemMagerbrennverfahren[15]. . . . . . 23
3.2 SchnittebenedesoptischenVersuchsträgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Schnittebene(cid:1)des(cid:1)Einzylinder-Transparentaggregats(cid:1)und(cid:1)der(cid:1)optischen
Abgaszelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 Versuchsaufbau und beteiligte Messtechnik am Einzylinder-
(cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1)
Transparentaggregat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5 DarstellungderEinspritzparametereinerDreifacheinspritzungimSchichtbetrieb 27
3.6 ÜberblickeingesetzterEinlassvariantenamendoskopischenVierzylindermotor:
LeitsystemeundLochblechvariante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.7 DarstellungderuntersuchtenEinlassvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.8 Stationär(cid:1)Tumble-Vermessung(cid:1)der(cid:1)konstruktiven(cid:1)Maßnahmen(cid:1)(Querrohr-
Verfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.9 Simulation(cid:1)derIntensität der Tumble-Ladungsbewegung der
(cid:1) (cid:1) (cid:1) (cid:1)
EinlassnockenwellenvariantenimSchichtbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.10 MessprinzipdesMobilitätsspektrometersDMS500 . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.11 BeispieleinerTEM-ProbeundschematischeDarstellungderAgglomerate . . . 35
3.12 Darstellung verschiedener Strukturen von Agglomeraten und deren fraktalen
(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)Dimensionen(cid:1)Df(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) 35
3.13(cid:1)Bandenspektren(cid:1)von(cid:1)Gaskomponenten(cid:1)bei(cid:1)der(cid:1)Verbrennung(cid:1)von von
Kohlenwasserstoffen(cid:1)[83](cid:17)(cid:1)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:1)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:1).(cid:3)(cid:3)(cid:17)(cid:1) 36
3.14(cid:1)KL(cid:1)Verlauf(cid:1)und(cid:1)Rußtemperatur(cid:1)sowie(cid:1)Spannungssignale(cid:1)Vλ(cid:1)der(cid:1)diskreten
Wellenlängen(cid:1) .(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1).(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1)39
(cid:1)3.15(cid:1) Zeitlicher(cid:1)Verlauf(cid:1)der(cid:1)Signalintensitäten(cid:1)in(cid:1)Abhängigkeit(cid:1)von(cid:1)den
Detektionswellenlängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40