Untersuchungen zum Wandwärmeübergangs- und Ablagerungsverhalten in Ottomotoren mit Direkteinspritzung und strahlgeführtem Schichtladebetrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
An diesem Versuchsträger zeigten sich, wie auch bei den Untersuchungen des ersten Teils dieses Forschungsvorhabens, deutliche Unterschiede zwischen konventionellem Homogenbetrieb in der Teillast und dem alternativen strahlgeführten Schichtbetrieb von Ottomotoren. Im Ladungswechsel kommt es beim Referenzpunkt im Schichtbetrieb durch die entdrosselte Füllung des Zylinders zu einer Umkehr des Wärmestromes durch Aufheizung der Ladung. Im Referenzpunkt bei Homogenbetrieb ist ein Rückströmen von Abgas bei „Einlass öffnet“ zu beobachten. Es strömt somit weniger Ladungsmasse bei höherer Temperatur in den Zylinder, daher kommt es zu keiner merklichen Umkehr des Wärmestromes. Bei Homogenbetrieb ist während des Ausstoßens der Ladungsmasse eine deutliche Überhöhung der Wärmestromdichten (WSD) im Bereich der Auslassventile zu verzeichnen. Dies ist auf die im Vergleich zum Schichtbetrieb deutlich höhere Gastemperatur zurückzuführen. Im Hochdruckteil des Prozesses kann für den Schichtbetrieb die oft beschriebene Isolationswirkung durch Luftpolster am Zylinderkopf bestätigt werden. Es kommt zu erhöhtem Wärmeübergang in Bereichen, die infolge der Kompressionseinspritzung fetter sind und erhöhte Turbulenz haben, wie z.B. in der Mitte des Kolbenbodens. Im Homogenbetrieb wird der Kolben später von der Flamme erfasst, es wurden deutlich niedrigere WSD als am Zylinderkopf ermittelt. Die stationären Temperaturen an den Brennraumoberflächen untermauern die oben beschriebenen Zusammenhänge. Der Drehzahl- und Lasteinfluss ist vor allem im Homogenbetrieb erwartungsgemäß, die WSD steigt mit Last und Drehzahl an. Die kumulierten Wandwärmeverluste sinken mit der Erhöhung der Drehzahl, da zwar höhere WSD vorliegen, dafür aber geringere Zeitdauern zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehen. Die Schleppverläufe und auch die jeweiligen Kompressionsphasen der verschiedenen Lastpunkte sind mehr oder weniger unbeeinflusst von den vorgenommenen Parametervariationen. Der Einfluss auf den Wärmeübergang ist vor allem durch die Flammenausbreitung zu sehen. Überraschend ist der Unterschied der Verläufe zwischen Kolben und Zylinderkopf bei beiden Betriebsarten. Die Unterschiede treten jedoch nur auf, wenn die Flamme zu unterschiedlichen Zeiten an der jeweiligen Sonde ankommt. Bei identischer Flammenankunftszeit sind die Verläufe sehr ähnlich. Die Unterschiede zwischen den WSD an Kolben und Zylinderkopf und auch die Unterschiede bei den Parametervariationen sind vor allem durch den Zeitpunkt der Flammenankunft an den Bauteilflächen bzw. an den jeweiligen Sonden zu erklären. Parametervariationen mit Auswirkung auf die Flammenausbreitung wirken sich deshalb auch verstärkt auf den Wandwärmeübergang aus. Dies wird z.B. beim Einfluss der Verbrennungsschwerpunktlage sichtbar, da die zeitliche Flammenund Kolbenposition direkt beeinflusst wird. Bei der Ladungsbewegungsvariation konnte vor allem dann erhöhter Wandwärmestrom festgestellt werden, wenn dadurch die symmetrische Flammenausbreitung im Homogenbetrieb oder bei Schichtbetrieb das isolierende Luftpolster gestört wurde. Der Einfluss der Kühlwassertemperatur auf den Wandwärmeübergang ist bei den untersuchten Teillastpunkten relativ gering. Im Schichtbetrieb verhält sich der Wärmestrom erwartungsgemäß und steigt entsprechend der vergrößerten Temperaturdifferenz zwischen Gas und Brennraumwand. Bei Homogenbetrieb ist Luft-Kraftstoffgemisch in Brennraumwandnähe und die Verhältnisse kehren sich durch Flammenlöschung um. Die Flamme erreicht die Wand später und der o.g. Einfluss der Flammenausbreitung dominiert. Die Wandwärmeströme im Hochdruckteil sinken bei deutlich kälteren Wänden. Der Vergleich der Wärmestrommessungen mit den Vorhersagen konventioneller Wandwärmeübergangsmodelle zeigt, dass sich die Profile der Verläufe grundsätzlich ähneln. In der Kompressionsphase zeigen die Messwerte gute Übereinstimmungen mit dem Modell nach Hohenberg, der umfangreiche Untersuchungen im Schleppbetrieb angestellt hat. Während der Verbrennung und Expansion liegen die Messungen bei beiden Betriebsarten zwischen den Vorhersagen nach den an Dieselmotoren entwickelten Modellen nach Woschni (höher als die Messung) und Hohenberg (niedriger als die Messung). Das an einem Ottomotor mit flachem Brennraum entwickelte Modell nach Bargende sagt vor allem bei Schichtbetrieb immer deutlich höhere WSD als die hier gemessenen voraus und liegt auch bezüglich des Anstiegs der WSD durch die Verbrennung systematisch früher als die Messungen. Vor allem bei späten Verbrennungsschwerpunktlagen werden die Messungen (im Schichtbetrieb) während der Verbrennung durch das Modell von Bargende am besten wiedergegeben. Überraschend ist die entgegen der Erwartung deutlichen Abweichungen zwischen den Vorhersagen der konventionellen Wandwärmemodellen und den Messungen im konventionellen Homogenbetrieb. Auch ist im Mittel keine gute Übereinstimmung mit den Messungen festzustellen. Die Anhand der Messungen aufgestellten Energiebilanzen unterstreichen jedoch die Plausibilität der Messungen. Hier besteht offenbar eher mehr Handlungsbedarf zur Anpassung der Wandwärmemodelle als bei Schichtbetrieb. Die an Dieselmotoren entwickelten Modelle zeigen im Schichtbetrieb, trotz der lokal sehr unterschiedlichen Verhältnisse, im Mittel recht gute Übereinstimmungen mit den Messungen und weichen voneinander bei dieser Betriebsart kaum ab. Eine Anpassung der Modelle für den Schichtbetrieb wurde deshalb nicht vorgenommen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Experimentelle Untersuchungen zum Wandwärmeverlust an einem Einzylinder-Forschungsmotor im Homogen- und Schichtbetrieb“, 9. Tagung Benzin- und Dieseldirekteinspritzung, Berlin, 2014
Hügel, Ph., Kubach, H., Koch, T.
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“Investigations on the Heat Transfer in a Single Cylinder Research SI Engine with Gasoline Direct Injection,” SAE Int. J. Engines 8(2):557-569, 2015
Huegel, P., Kubach, H., Koch, T., and Velji, A.
