Verbesserung der Verbrennungen im Dieselmotor durch thermische Isolierung der Kolbenmulde (PDF)

Die Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens war, die Voraussage der Vorteile eines partiell isolierten Kolbens in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und innermotorischer Schadstoffentstehung durch Messungen zu bestätigen und zu erweitern.
Insbesondere wurde der Einfluss der Oberflächentemperatur der Brennraumwände auf die Rußoxidation ermittelt. Numerische Untersuchungen im Teillastbereich sagten voraus, dass besonders in den kühlen, wandnahen Zonen die Rußoxidation unterdrückt wird.
Um diese theoretischen Ergebnisse experimentell zu überprüfen, wurden Experimente an einem kleinhubigen, direkteinspritzenden Dieselmotor, ausgestattet mit einem Com-mon-Rail-Einspritzsystem, durchgeführt.
Dabei standen Versuche bei Variation des Einspritzbeginns, der Einspritzmasse, des Einspritzdrucks, der Düsengeometrievariation, der Abgasrückführrate und der Muldeneinsatzvariation im Vordergrund. Im Hinblick auf die Muldeneinsatzvariation wurde durch den Einsatz einer Kolbenmulde aus einem schlecht wärmeleitenden Metall und Luftspalt die Wandwärmeverluste verringert.
Aufgrund dieser partiellen Brennraumisolierung wurde erwartet, dass die Rußoxidation in Wandnähe deutlich ansteigt.
Zur Charakterisierung des Verbrennungsablaufs und der Abgaskomponenten wurden an Motorprüfständen verschiedene Messtechniken eingesetzt, die neben Untersuchungen des gesamtmotorischen Verhaltens, einen Einblick in die innermotorische Schadstoffentstehung, wie z.B. Rußbildung und Rußausbrand erlauben.
Um die sehr niedrigen Rußkonzentrationen im Teillastbereich zuverlässig zu erfassen, wurde ein Opazimeter mit hoher Messgenauigkeit entwickelt und kalibriert.
Der Einfluss von Isoliermaßnahmen auf die Muldenwandtemperatur wurde berührungsfrei mit Hilfe eines Infrarot-Einfarben-Pyrometers gemessen.
Die pyrometrischen Temperaturmessungen an einem bewegten Kolben zeigten, dass bei den Versuchen mit isolierter Kolbenmulde, im Vergleich zu nicht isolierter Kolbenmulde, ein Temperatureinstieg erreicht wird.
Die Temperaturdifferenz beträgt beim oberen Lastpunkt 250 K.
Die thermodynamische Analyse bei gleicher Einspritzmenge und ohne Abgasrückführung ergab, dass die Verbrennung in einem partiell isolierten Motor einen kürzeren Zündverzug, einen reduzierten vorgemischten Anteil und eine verlängerte Verbrennungsdauer zeigte.
Dies lässt sich durch höhere Brennraumtemperaturen erklären, die zu beschleunigter Gemischaufbereitung und Zündkinetik führen.
Die Folge ist ein niedrigerer Anteil vorgemischter Verbrennung, begleitet von einer rußreicheren Verbrennung und geringen NOx-Bildung.
Bei der partiellen Isolierung der Kolbenmulde ist zuerst ein Anstieg der Rußbildung zu verzeichnen.
Die Rußemission ist aber im Allgemeinen für den isolierten Kolben vor dem Abfall des mittleren Drucks geringer.
Dies liegt an einer verbesserten Oxidation, die für eine Absenkung der gemessenen Rußmassenkonzetration im Abgas verantwortlich ist.
Bei gleicher Einspritzmenge und gleichem Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist der innere Mitteldruck des isolierten Kolbens um 5 % gestiegen.
Dieser Anstieg lässt sich nicht auf eine bessere Verbrennung, sondern auf eine Wärmeflussreduktion zurückführen.
Der negative Effekt der Brennraumtemperatur auf den Zündverzug bzw. auf die Rußbildung lässt sich sowohl durch eine frühe Verlagerung des Einspritzbeginns als auch durch eine simultane Variation des Einspritzbeginns und der AGR-Rate kompensieren, so dass die Spitzdrucklage des Zylinderdrucks auf 10° KW nach OTH konstant gehalten wird.
Anschließend wurden drei Düsen mit unterschiedlichen hydraulischen Durchflusswerten und Ks-Faktoren angewandt, um Auswirkungen der unterschiedlichen Einspritzverläufe auf die motorischen Bedingungen und Abgasemissionen zu untersuchen.
Die Düsen mit geringem Durchflusswert wiesen im Allgemeinen eine Reduzierung der Ruß-Emissionen auf, begleitet von einer Erhöhung der NOx-Emissionen.
Die partielle Isolierung der Kolbenmulde zeigte sich im Rahmen dieser Versuche als Maßnahme zur Verminderung der Rußemissionen, des Verbrauchs und zur Erhöhung der Abgastemperatur.
Die Reduktion der Rußemissionen beim partiell isolierten Kolben erklärt sich durch Ruß-Wand-Interaktionsmechanismen.
D.h. spritzt man den Kraftstoff mit einem hohen Einspritzdruck ein, so wird die Verbrennung stärker in der Nähe von Brennraumwänden stattfinden und die Rußoxidation begünstigen.
Um diese Aussage zu bestätigen, wurde eine zyklusaufgelöste Emissionsspektroskopie zu Messungen der Rußkonzentrationen während des Verbrennungsablaufs im Brennraum angewandt.
Damit wurde hilfreiche Informationen über die Rußbidung und -oxidation geliefert. Die gemessenen Rußverläufe decken sich sehr gut mit den Ergebnissen der thermodynamischen Untersuchung.
Sie bestätigen, dass die Erhöhung der Oberflächentemperatur der Kolbenmulde die Rußoxidation begünstigt.