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.
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Produktinformationen zu „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.
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.
Bibliographische Angaben
- 2006, 136 Seiten, Deutsch
- Verlag: Cuvillier Verlag
- ISBN-10: 3736919778
- ISBN-13: 9783736919778
- Erscheinungsdatum: 15.08.2006
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