Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren: Einfluss auf die Rußemission 3834809365, 9783834809360

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Yvan Gauthier 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 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

Dissertation Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg, 2009

1. Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner I GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Dorothee Koch / Britta Göhrisch-Radmacher Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen , Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen . Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen , Handelsnamen , Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften . Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0936-0

Vorwort "Ich glaube, man müsste - um wirklich vorwärts zu kommen - wieder ein allgemeines, der Natur abgelauschtes Prinzip finden." Albert Einstein in einem Briefan Seinem Freund Weyl im Jahr 1922

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit im Motorenprüffeld des Geschäftsbereichs Diesel Systems der Firma Robert Bosch GmbH in Stuttgart-Feuerbach. Betreut wurde sie durch den Fachbereich Maschinenbau der Helmut-Schmidt-Universität I Universität der Bundeswehr 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 Übernahme des Korreferates und das Interesse an meiner Arbeit. Mein Dank gilt ferner 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 ich Herrn Dr-Ing. M. Dürnholz für die Förderung dieser Arbeit danken. 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 Durchführung der Versuche zur Seite standen, entrichte ich meinen Dank für ihre entgegengebrachte Unterstützung, für ihre Ratschläge , für ihre wertvollen Diskussionsbeiträge zu dieser Arbeit sowie für das stets angenehme Arbeitsklima . Ganz besonders bedanke ich mich bei meiner Frau für die geleistete Hilfe und die liebevolle Unterstützung. Yvan Gauthier

Inhaltsverzeichnis Verwendete Abkürzungen und Symbole Abbildungsverzeichnis

2

4

XIII

Einleitung

I

Rußemission bei der dieselmotorischen Verbrennung

7

2.I Molekulare Rußbildung

7

2.2 Phänomenologische Rußmodelle

9

2.3 Erfassung der Rußemission im Abgas 3

IX

Modelle der einspritzstrahlgeftihrten Gemischbildung

14 17

3.1 Freistrahlausbreitung

18

3.2 Spray/Wand-Wechselwirkung

33

Einfluß der externen Abgasrückftihrung auf die Rußemission 4.1 Einfluß der Stoffzusammensetzung des angesaugten Gasgemisches

39 39

4.1.1 Herabsetzung der Verbrennungstemperatur durch den Abgasanteil

.40

4.1.2 Luftverhältnis AGfür das Gasgemisch aus Luft und rückgeftihrtem Abgas

54

4.2 Einfluss des Luftverhältnisses

60

4.2.1 Luftverhältnisabsenkung durch Abgasrückftihrung und durch Lastanhebung

61

4.2.2 Bestimmung des Luftverhältnisses an der Rußgrenze

70

VIII 5

Inhalts verzeichnis Einfluss des Einsprit zdrucks auf die Rußemission

5.1 Bestimmung des mittleren Einspritzdrucks der Haupteinspritzung

75 75

5.1.1 Methode mit gemessenem Raildruck für CRI3.0

77

5.1.2 Methode mit gemessenem Düsenraumdruck für HADl..

81

5.2 Gesetzmäßigkeit des Rußverhaltens bei Steigerung des Einspritzdrucks .87

6

7

5.2.1 Empirische Formulierung des Rußverhaltens beim Motorbetrieb ohne Abgasrückführung

87

5.2.2 Empirische Formulierung des Rußverhaltens beim Motorbetrieb mit Abgasrückführung

105

Modell für das Zweiphasengeb iet innerhalb des Kraftstoffstrahls

111

6.1 Mittlere Geschwindigkeit des Einspritzstrah1s

111

6.2 Mittlere Dichte der Gasphase des Einspritzstrah1s

121

Va1idierung des Modells durch motorische Untersuchungen

.133

7.1 Variation der Düsenparameter hydr. Durchfluss und Lochanzahl

133

7.2 Variation der Motorparameter Düsenüberstand und Drallströmung

149

8

Zusammenfassung

169

9

Anhang

173

10 Literaturverzeichnis

199

Verwendete Abkürzungen und Symbole A bk ürzungen Bezeichnung ABHE ABVE ADHE ADV E AMESim AVL CAD CRI3.0 CRS3.3 DI DPF ETH EU EURO V FSN GSU HADI JANAF MI MNEFZ MTS NASA NKW OT PAK PI PKW PM SMD UT VdW

E in hei t ° KW °KW IlS IlS -

C C,H 2 CO CO, H HC H,O N, NO NO, NO, O2 OH

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Bedeutung Ansteuerbeginn der Haupt einspritzung Absteuerbeg inn der Vorein spritzung Anst euerd auer de r Haupte inspritzung Ansteuerdauer der Voreinspritzung Simul ation stool für Hydraul ikkompon ente Firma, die die Prüfs tandsmess geräte herstellt Rechn ergestütztes Zeichnungsherst ellung Bosch Common-R ail-Injektor mit max. 1600bar Bosch Com mon-R ail-System mit max. 2000b ar Direkteinspritzung Diese1-PartikeIfil ter Eidgenossis che Techni sche Hochschule in Zürich Europäische Union Richtlin ie der EU-Emissionsgrenzwert ab 2009 Filter Smoke Number Geometrischer Strahlursprung High-pre ssure Ampli fied Diesel Injector Join t Army Navy Air Force Main Inj eetion (Haupteinspritzung) Europäischer Fahrzyklus für Abgastest Massentr ägheit sschwerpun kt National Aeronauties and Spaee Administration Nutzlast Kraft Wagen Oberer Totpu nkt (zOT : OT mit Zündung) Polyzyklischer Aromatischer Kohlenwass erstoffe Pilot Inject ion (Vo reinspritzung) Personen Kraft Wagen Partieulate Malter mittlerer Sauterdurchmesser Unterer Totpunk t Van der Waals' seher Ansatz für Realgasgleichung Kohlen stoff Acethylen Kohlenmo noxid Kohlendioxidmolekül Wasserstoff Kohlenwasserstoff Wass ermolekül Stickstoff Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid Stickoxide Sauerstoffmolekül Hydrox ylradikal

x

Abkür zungen und Symbole

For melzeichen Bezeic hnung Go

A,(x) ABildung AOxidation

GD

A.(O) A.(x)

i; bD

b, c,

Einheit kg ·m 5/k moF/s2 m2 -

kg-mvkmolv s? m2 m2 mvkg mvk g g/kW h m/s

cI'

rnIs J/(k g·K)

CSL

-

Cm

Cu

rnIs

c,

-

Cw Ca

dpZyiinde/ da

dSL dt dr d32 da

FK

Fw Ew( O bis x)

Ir ho

H/ C HFR

hK J(a) k ks l FI

L.'I m , (x) nl A, m Abgas

m!,ü mB

mD in FI mg in i in K (x) nJ L , mLuft

-

barfOKW J.lm s J.lm J.lm Grad N N N kg/(m 2·s) J

em 3/30s/IOobar J

mm' mm

kg/s kg/s mg/AS mg /AS kg/s kg/s mg/AS kg/s kg/s mg/AS

Bede utung Kohäsion sdru ck für Luft als VdW-Realgas Strahlque rsc hnittsa nteil mit Luft , Abstan d x Koeffi zient für die Rußbildung Koeffi zie nt für die Rußoxidation Kohäsion sdruck für n-Tride kan als VdW-Realgas Strahlq uer schn ittsant eil mit Kraftstoff, Lochaustritt Strah lquersc hnittsa ntei l mit Kraftstoff , Abstand x Kovolumen für Luft als VdW-Rea lgas Kovolumen für n-Tridekan als VdW -Rea lgas indizie rter Kra ftstoffverb rauch ax iale Strömungsgeschwi ndi gk eit , Drallmessung nach Thi en mi ttlere Kolb engeschwindigk eit im Zy linde r spez ifisc he Wärmekap azität bei kon stant em Dru ck Fläch enkontrakti on sb eiwert dur ch die Spritzloc hgeo me trie Um fangsgeschwindigkeit der Drall strömung nac h Th ien Gesc hwindigkei tsbeiwert dur ch die Spritzlochge ometrie Ström ungswid erstand sbeiwert in Newton ' scher G leic hung Geo metri ebeiwert für die Sp ritzloc hgeometrie nach Siebcrs Gradient des Zy linde rdruc kes üb er Grad Kurb elwinkc1 geometrisc her Spritzloe haustritts dure hmesser infinitesimal kleines Zeiti ntervall Trop fendurchm esser Sauterdure hmesser der Tropfen in Gleichung 3.5 infinitesi ma l klein es Kurb c1winkc1intervall Kohäsion skra ft de r Flüssigkeitströ pfchen aerodyn ami sch e Strömungswiderstands kra ft ku mul ierte Strömungswidersta ndskraft zwischen 0 und x Vektor der Impul sdich te Entha lpie des im Strahl gesa ugten Gases aus der Umge bung mo lares Verhältnis von Wasser und Kohlenstoff hydr au lisch er Dur chfluss der Einspritzdüse bei L'>p= 100 bar Enthalpie des flüssigen Kra ftstoffs im Eins pritzstra hl Massenträghei tsmoment bei de r Kurbc1winkc1stell ung o. Kon stante im Strahl geschwindigkeit smo dell Konizität der Spritzlochgeometrie, strömungso ptimie rt maximale Eindringtiefe der Flü ssigk eit im Einspritzstra hl stöc hiometrisc her Luft bedarf Massenstrom an eingesaugte n Gas im Einspritzstrahl bei x Abgas massenstrom extern rüe kgefti hrte Abg asmasse pro Arbeitsp ie l einges pri tzte Kraftstoffmasse pro Arbei tspic1 Massenstrom vo n Kra ftstoffd am pf Massenstrom vo n flüssigem Kraft stoff gesamte angesaugte Gasmasse im Zyli nder pro Arbeitsp iel angesaugt er Gasmassenstrom, Ventilhubstellu ng i Massenstrom vo n flüssigem Kraft stoff bei x angesa ugte Luftmasse pro Arbeitspic1

Abkürzungen und Symbole mo,

mgiAS

M n nSL n(drJ

kglkmol U/min -

p,

Po Plnj p Kammer

pm e pmi pNorm P Rail

p, P Sackloch

P Strahl

p, Qhyd

-

bar bar bar bar bar bar bar bar bar bar bar bar

cm3 /30s1I Oübar

o.;

kJ/kg J/(kg -K) J/(kg-K) g Ruß/kg Fuel mm FSN s K K K K K K K K K m/s

U(x) U(x/2) Umf ang (x) UT V, VolT

m/s m m/s cm 3 m3

" Verdampfung

R,

Ro Ruß s(a)

52 t t; T aus

t; TK ammer

Tmin TKorm T Strahl

t,

t;

m/s

Xl ange saugte Sauerstoffmasse pro Arbe itspiel MoIrnasse Motordrehzahl Anzahl Düsenlöcher Anzahl der Tropfen mit dem Durch - messer a, Druck des in den Strahl gesaugten Gases aus der Umgebung Druck des Kraft sto ffdampfes im Strahl Einspritzdruck 8 rennkammerdruek effektiver Mitteldruck indizierter Mitteldruck Druckniveau im Normzustand Druck im Common Rail Sättigung sdruc k des Kraftstoffdampfes im Strahl Druck im Düsensackloch Gesamtdruck im Gasstrahl Zylinde rdruck hydrauli scher Durchfluss der Düse be i t1p= 100 bar Verdampfungsenth alpie pro Kilogramm spezifische Gaskonstante der Luft spezifische Gaskonstante des dampf-förmigen n-Tridekans emittierte Rußma sse im Abga s pro Kilogramm Kraftstoff Kolbenhub an der Kurbelwinkelstellung a Schw ärzungszah l nach dem Filtermeßprinzip von Bosch Zeit Temperatur der im Einspritzstrahl einge saug te Luft Tempe ratur des Kraftstoffs im Strahl am Spritzlochaustritt Temp eratur des Kraftstoffdampfes im Einspritzstrahl Temperatur des vom Einspri tzstrahl umgebenden Gases min imale Bildu ngstemperatur des Rußes Temperatur des Gases im Normzustand Temperatur im Gas strahl Sältigung stemperatur des Kraftstoffdampfes im Strahl Verdampfungstemperatur Gesch windigkei t des Strahls am Spr itzloch austritt Geschwindigkeit des ausgeb ildeten EinspritzstrahIs bei x Gesch windigke it des ausgebildeten Einspritzstrahls bei x/2 Umfang des Einspritzstrahl s quer zur Mittenachse bei x Geschwindigkeit des Tropfens Kompre ssionsend volumen effektiver Meßvolumen bei dem Filterm eßprinzip von Bosch

VO",m.(a)

cm 3 cm 3

I(

mvs

Vh

Vs

m3

VStrahl

m/s

VT We x

-

m3 mm

Volum en des 8rennraums bei Kurbelwinkelstellung a Hubraum Volumenstrom des Ansauggases bei VentilhubsteIlun g i ange saugte Gasvolumen des Filtermeßprinzips von Bosch Gesch windigkeit des Einspritzstrahls Totvol umen bei dem Filtermeßprinzip von Bosch Weberzahl Position auf der Milten achse des EinspritzstrahIs

Abkür zungen und Symbole

XII X A Go

a aK

° Kurbclwinkel -

Llp

bar

LI, Llt

s

E:

-

17, '1F1

N's/m' N 's/m'

K

A Aa

AE k p, Po PFI

PoT ,Dstrahl (Tr I

r lfI;

-

-

-

kg/m' kg/m' kg/m' kg/m' kg/m' N/m % Vo1.

Rate an extern rückgefü hrtes Abgas im Saug rohr Positio n der Kurbelwelle bezogen auf dem obere n Totpunkt Durchflu sszahl nach Thie n Messverfahren Druckdifferenz Zw ischen Düsensaek loehraum und Brennraum Offset zwischen den Mischungsverhältnissen ' ha und ' ,"11 Zeiti nterva ll Verdiehtungsverhältni s des Motors dynamisc he Viskosität de r Luft dynam ische Viskosi tät des flüssigen Kraftstoffs ise ntrope nexponent Luftve rhältnis Lufta ufwand Einlassluftverhältnis Luftve rhält nis des Gases aus Luft und rückgefti h rtem Abgas Dichte des im Einsp ritzstrahl eingesa ugten Gases Dichte des Kraft stoffdamp fes im Strahl Dichte des flüssigen Kraft sto ffes im Strahl Dichte des komprimierten Gases im zOT Dichte des gasförmigen Einspritzstra hIs Ober fläche nspannung des flüssigen Kraftstoffs Verhä ltnis von Kraftstoffdampf- und Luftmasse im Stra hl Volum enant eil des Gases i

tiefgestellt A a AGe ber Damp f Flüssig Gasentrainment

G Ges amt L max Messung mitAGe min ohneAGe plnj Rußgrenze so ll Start st Zyl pOT

1'2

Abgas durch Gasentrainment im Strahl angesaugtes Umgebungsgas exte rn rückgefti hrtes Abgas berechn et damp fförmig als Flüssigkeit Der Einspritz strahl saugt radi al Gas aus der Umge bung an Gasgemisch aus Luft und rückge führtes Abgas gesa mte angesa ugte Gasmasse Luft maximaler Wert gemessener Wert das Gasgemisch enthält exte rn rückgeftihrtes Abgas min imaler Wert Das Gasge misch enthält keine extern rückgeführt es Abgas Einspritzdruck Definierte max . Wert für die Rußkon zentration im Abgas Sollwert Anfangswert stöchiometrisch Motorz ylinder Dichte des von Motorkolben komprimierten Gases im zOT Erhöhung des Parameters für eine Halbierung der gemesse nen Rußkonzentration im Abgas

Abbildungsverzeichnis Abb .1.1 : Abb. I.2: Abb . 1.3: Abb .2.1: Abb. 2.2: Abb. 2.3: Abb .2.4: Abb .3.1 : Abb .3 .2: Abb .3 .3: Abb .3.4: Abb .3 .5: Abb .3 .6:

Abb.3.7 : Abb .3.8: Abb .3 .9:

Abb .4.1 : Abb.4 .2: Abb .4.3:

Überblick über die Emissionsgrenzwerte für dieselgetriebene Pkw in der EU

.

Innermotorische Maßnahmen zur Senkung der NO xEmissionen . Lastkollektive MNEFZ , 1500kg Fahrzeug mit 2.0L Vierzylinder Dieselmotor . . Rußbildungsphasen nach Bockhom [5] Rußertrag in Abhängigke it von A und der Temperatur [9]. Diskretisierungsbeispiel eines Einspritzstrahles in Pakete nach Hiroyasu [18] . Filtermessprinzip . Ablenkung der Einspritzstrahlen in der Mulde [35] . Vier Zerfallsbereiche von Flüssigkeitsstrahlen [38] . Verte ilung in Abhängigke it vom mittleren Sauterdurchmesser . Sauterdurchmesser in Abhängigkeit vom Einspritzdruck [56] . Die von einem Hochdruckspray indu zierte Luftströmung [50] . Maximale Eindringtiefe der Flüssigphase bei Variation des Einspritzdrucks und des Lochdurchmessers für verschiedene Ersat zkraftstoffe [47] . Spray-Modell nach Naber und Siebers [44] . . Brennkammeraufnahme von Pauer [17] Skizze eines ausgebildeten Einspritzstrahls in einer Pkw Kolbenmulde mit Omega-Form positioniert im Oberen Totpunkt, angelehnt an Uhl [35] . Randbedingungen der Abgasrückftihrratenvariationen . Indizierkurven der Ladedruckvariation ohne Abgasrückrührung . Verlauf der Russem issionswerte bei Veränderung der Sauerstoffkonzentration im angesaugten Gasgemisch ... ..

3 6 9 10 12 14 17 19 22 23 25

26 28 32

36 41 43 45

XIV Abb.4.4: Abb. 4.5 : Abb.4.6: Abb.4.7: Abb.4.8:

Abb.4.9: Abb.4.10: Abb. 4.1 I: Abb.4.12: Abb.4.13: Abb.4.14: Abb.4.15: Abb.4.16:

Abb.4.17:

Abb.4.18:

Abb.4.19:

Abbildungsverzeichnis NOx-Reduzierungsrate bei Absenkung der Sauerstoff konzentration im Ansauggemisch . Änderungen der Konzentration von Stoff i im Ansaugtrakt . Vergleich der gemessenen und gerechneten Werte des Sauerstoffgehalts im Abgas . Verlauf der Stoffkonzentration im Ansauggemisch über den Abgasanteil .. Einfluss der Konzentration der Moleküle COz und HzO im Ansauggemisch auf die adiabate Verbrennungstemperatur . Verlauf der Sauerstoffkonzentration im Ansaugtrakt. . Verläufe von Luftverh ältnis und Einlassluftverhältnis bei Veränderung der Abgasr ückführrate . Schwarzrauchwerte über dem Luftverhältnis und dem Einlassluftverhältnis dargestellt . Vergleich zwischen dem Luft- und dem Gasgemischverhältnis . Schwarzrauchwerte über dem Gasgemischverhältnis AG Aufgetragen . Indizierkurven der Luftverhältnisabsenkungen durch Abgasrückführung . Russemissionsergebnisse der Luftverhältnisabsenkungen Verläufe des Luftverhältniswerts über Abgasr ückführrate für die Luftverhältnisabsenkungen durch Rückführung von Abgas im Saugrohr. . Unterschiede in der zugeführten Brennstoffmasse zwischen den zwei durchgeführten Luftverhältnisabsenkungen . Verhältniswerte der zugeführten Brennstoffmassen an der Rußgrenze der Luftverhältnisabsenkungen mit und ohne Abgasrückführung über dem Einflussfaktor des Abgasanteils aufgetragen .. Veränderung der angesaugten Gasmassen über AStart . • •. • • •

46 48 50 52

53 55 56 58 59 60 62 63

66

67

68 70

Abbildungsverzeichnis

XV

Abb .4.20: Erreichte Abgasrückführrate an der definierten Rußgrenze von 0.6g/kg fuel bei den untersuchten Luftverhältnisse AStart ••• .•• . • • ••• . •• .• ••••••• .••• • •.• •• • •.• • .• •••• .••• • •• • •.• • .• ••••

72

Abb.4.21 : Erreichter Luftverhältniswert mit rückgeführtem Abgas an der definierten Russgrenze bei den untersuchten Ausgangsluftverhältnisse AStart .• • • •• • • • • • •. • • •• • • ••.• • • • • • • •. • • • •• •

73

Abb.5.1 : Abb .5.2 : Abb.5.3 : Abb.5.4: Abb .5 .5: Abb .5 .6: Abb .5 .7: Abb.5.8 : Abb.5.9: Abb.5.1O:

Abb.5.11 : Abb.5.12: Abb.5.13 :

Darstellung des Sacklochdruckplateaus bei höheren Einspritzmassen . Approximation des Verlaufs des Formfaktors . Vergleich der mittels Gleichung 5.4 berechneten und der mittels AMESim simulierten Werte . Schnittbild der Düsenkuppe . Approximation des Verlaufs von Formfaktor über maximalem Sacklochdruck . Approximation des Verlaufs von mittlerem Sacklochdruck . Vergleich der maximalen Druckwerte in der Düse . Darstellung des Druckverlustes über dem hydraulischen Durchfluss . Zylinderdruckverläufe der Raildruckvariation bei konstantem A . Gemessene Werte von zugeführter Brennstoffmasse und von Rußemission im Abgas aus den Luftverhältnisabsenkungen ohne Voreinspritzung . Darstellung der berechneten Werte des mittleren p lnj . Vergleich zwischen der Mess- und der berechneten Werte von Russemission . Darstellung der berechneten Werte von mittlerer p lnj .

. Abb.5.14: A-Werte über dem mittleren Sacklochdruck Abb.5 .15: Zylinderdruckverläufe der Raildruckvariation bei konstantem Luftverhältnis . Abb.5 .16: Gemessene Werte von zugeführter Brennstoffmasse und von Rußemission im Abgas aus den Luftverhältnisabsenkungen mit Voreinspritzung . Abb .5.17: A-Werte über dem mittleren Sacklochdruck

.

78 79 81 82 83 84 85 86 88

89 91 93 94 94 95

96 97

XVI

Abbildungsverzeichnis

Abb.5 .18: Zylinderdruckverläufe der Gasdichtevariation bei konstantem Luftverhältnis .. Abb.5 .19: Zugeführter Brennstoffmasse und Rußemission im Abgas aus den Luftverhältnisabsenkungen bei verschiedenen Ladedrücken . Abb.5 .20: Darstellung der berechneten Werte der mittleren pt« . Abb .5.21 : Luftverhältniswerte bei Steigerung der Gasdichte für zwei Raildruckniveaus .. Abb .5 .22: Luftverhältniswerte bei Steigerung des Einspritzdrucks . Abb.5 .23: Luftverhältniswerte im Teillastbetrieb bei Änderung der Gasdichte und des Einspritzdrucks am Aggregat Nr.l mit Basiszylinderkopf und "enge"-Mulde . Abb.5 .24: Verlauf der Rußwerte aus der Raildruckvariation über dem Luftverhältnis . Abb.5 .25: Verlauf der Rußwerte bei Raildrücken von 800 und .. 1600 bar über AG Abb.5 .26: Luftverhältniswerte an der Rußgrenze mit und ohne Abgasrückführung . Abb.6.2: maximale Eindringtiefe der Flüss igphase gemessen an der Hochtemperatur- / Hochdruckbrennkammer der Robert Bosch GmbH [61] .. Abb .6.3: Modell zur Berechnung der mittleren Strahlgeschwindigkeit .. Abb .6.4: Berechnete maximale Eindringtiefe der Flüssigphase bei Veränderung der Gasdichte, nach Siebers [47] . Abb.6.5: Berechnete Werte der mittleren Strahlgeschwindigkeit und der Eindringtiefe der Strahlspitze .. Abb .6.6: Schematische Darstellung des Verdampfungsmodells .. Abb .6.7: Siedekurve des in den Motorversuchen verwendeten Dieselkraftstoffes .. .. Abb.6.8: Iterationsalgorithmus zur Berechnung von T Slrahl Berechnete Werte für A und für T Slrahl bei einer Variation der Gasdichte .. Abb.6.10: Berechnete Werte der mittleren Impulsdichte des Strahls am Muldenrand .

99

100 101 102 103

104 106 107 108

113 115

118 120 122

123 125

Abb.6.9:

125 128

Abbildungsverzeichnis

Abb.6.11 : Vergleich der berechneten Dampfpartialdrücke aus der Dampfdruckkurve und aus Gleichung 6.20 . Abb.6.12: Ausgewertete Größen vonMattes [41] . Abb .7.1 : Düsenkonfigurationen der Lochanzahlvariation . Abb .7.2: Konfigurationen der Düsen des hydraulischen Durchflusses . Abb .7.3: Berechnete Werte der mittleren Strahlgeschwindigkeit am Muldenrand für eine Lochanzahl- und für eine QhydVariation . Abb .7.4: Berechnete mittlere Strahlgeschwindigkeit zur Darstellung des Einflusses der Lochanzahl . Abb .7.5: Berechnete mittlere Impulsdichte am Muldenrand für beide Variationen . Abb .7.6: Indizierkurven aus der Raildruckvariation mit Qhyd = 380 cm 3 /30s @100bar . Abb .7.7: lndizierkurven aus der Qhyd- Variation mit 900bar konstantem Raildruck . Abb .7.8: Ruß- und NOx- Messwerte aus den Abgasrückführratenvariationen bei der Variation des hydraulischen Durchflusses . Abb .7.9: Abgasrückführrate an der Rußgrenze O.4g/kg fuel bei einer Variation des hydraulischen Durchflusses . Abb .7.10: lndizierkurven aus der Lochanzahlvariation bei einem Raildruck von 900 bar . Abb.7.11 : Abgasrückführrate an der Rußgrenze 0,4 g/kg fuel bei der Variation der Lochanzahl am Aggregat Nr. 2 . Abb .7.12: Berechneter Lochdurchmesser bei beiden Variationen der Lochanzahl . Abb .7.13 : Schematische Darstellung zur Definition von Größen bei der Variation der Düseneinragtiefe . Abb .7.14: Unterlegscheibendicke und entsprechender geometrischer Strahlursprung . Abb .7.15 : Gemessene Indizierkurven der Raildruckvariation bei dem geometrischen Strahl ursprung von GSU = 0,47 mm .

XVII

129 131 134 135

136 137 138 140 141

142 144 146 147 148 151 151 152

XVIII

Abbildungsverzeichnis

Abb.7.16: Gemessene Abgasr ückführrate an der Rußgren ze 0,6 g/kg fuel bei der Variation der Düseneinragtiefe am Aggregat Nr.l Abb.7.17: Berechneter Auftreffanteil auf dem Turbulenzring bei Variation der Düseneinragtiefe am Aggregat Nr. 1, angelehnt an [41] Abb.7.18: Aufnahme der Einlasskanäle vor und nach der Bearbeitung ...... .......... . .. ........... ....... ........... ...... Abb. 7.19: Messergebnisse des stationär durchströmten Zylinderkopfes Abb. 7.20: Brennraummodell zur Berechnung des Massenträgheitsmomentes Abb. 7.21: Halbschnitt der verwendeten Mulde .. .. ... ... .. .. .. ... ... .. .. Abb.7.22: Berechnete Drall verhältnisse Cu/Crn für die Drallvariation am Aggregat Nr.l ........... ..................................... Abb.7.23: Ergebnisse aus der Drallvariation mit der 7-Lochdüse am Aggregat Nr. 1 Abb.7.24: Vergleich der Umsatzpositionen aus der Drall- und Raildruckvariation

153

156 158 159 162 163 164 166 168

I

Einleit ung

Mit der Einführung klein er aufgeladener direktei nspritzender (DI) Dieselmotoren HiT Personenkraftwagen zu Beginn der 1990er Jahre hat sich das Bild des PkwDiesel moto rs gewandelt. Zu seinen Vorzügen gehört es, neben hoher Wirtschaftlichkeit und Drehmomentstärke. dass der Dieselmotor spezifische Leistungswerte erreicht, die den Vergleich mit Ottomoto ren nicht zu scheuen brauchen: zum Beispiel bis zu 74 Kilowatt pro Liter Hubraum beim BMW Alpine 0 3. Auch wenn der Dieselmotor durc h seinen günstigen Verbrau ch in der Bilanz des Treibhausgases Kohlendioxid (C0 2 ) zurzeit wettbewerbsfähig ist, muss er sich mit seinen Part ikel- (P M) und Stickox idem issionen 1 (NO, ) den immer schärfer werdenden Schadstoffemissionsgrenzwerten stellen, Seit der Einführung der Abgasgesetzgeb ung in der EU sind d ie Grenzwerte für Diesel-Pkw stets gesunken. Einen Überblick für dieselgetriebene Pkw gibt Abbil dung I.

PM

c/kml0,15

Euro I 0,10

2_5. O. 5

CO

5.0

[91 km]

0,25

Euro 11 Euro 11I

75 Euro V [EU Proposall

,. bo

N0, [91 km)

HC

[glk m]

Ahhildung I:

Euro V : HC-+NO, '" 230 mg/km

Überblick über die Emissionsgrenzwerte für dieselgetr iebene Pkw in der EU

1 Stickoxide (NO,) sind Moleküle. die durch Oxidation von Stickstoff (Nl ) bzw. sticksro ffhaltigcn Verbindungen entstanden sind, wobei die, e in ｍｯ ｴｯｲｊＮ｢ ｧ｡ＬｾＧｔｉ fast ausschließlich als NO. NO l und N,O ( Lachgas) vorliegen.

2

Einleitung

Zur Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte in Europa (abgekürzt: EURO V) ist beim Pkw-Dieselmotor neben der bereits realisierten CO- und HCKonvertierung durch Oxidationskatalysatoren eine deutliche Partikel- und Stickoxidminderung unabdingbar. Zur Reduzierung der ausgestoßenen Stickoxidemissionen sind zwei Wege möglich: Eine innermotorische Vermeidung der Entstehung und eine zusätzliche Abgasnachbehandlung. Die Katalysatoren zur NOx-Reduktion im Abgas fanden bisher nur in Einzelfällen Einsatz in Serienfahrzeugen: z.B. mit dem Mercedes-Benz-BLUETECKonzept in der E-Klasse in Kalifornien (USA) [74], wo die Grenzwerte auf sehr niedrigem Niveau liegen . Dort reichen die innermotorischen Maßnahmen zur Erftillung der NOx-Grenzwerte nicht mehr aus , so dass die Zusatzkosten für einen NOx-Katalysator in Kauf genommen werden müssen. Die wirkungsvollste innermotorische Maßnahme zur Minimierung der Stickoxidemissionen stellt die Abgasrückführung dar. Die derzeit am weitesten verbreitete Abgasrückftihrungsart zur Erfüllung der heute gültigen Norm Euro IV bei Diesel-Pkw ist die externe Abgasrückftihrung. Dabei wird dem Abgastrakt vor der Turbine des Turboladers über ein Abgasrückftihrventil eine definierte Menge Abgas entnommen und der Ansaugluft hinter dem Verdichter des Turboladers zugeftihrt. Die Verminderung von NO x durch Abgasrückftihrung bewirkt jedoch eine Erhöhung der Partikelemissionen. Aus der Senkung der StickoxidEmissionen und dem gleichzeitigen Anstieg der Partikelemissionen ergibt sich ein NOx-Partikel-Konflikt, Abb . 1.2. Ansätze zur innermotorischen Verbesserung der Stickoxid- und PartikelEmissionen zielen vor allem in Richtung einer Verringerung der Partikel; damit wird eine Erhöhung der Abgasrückftihrrate ermögl icht. Der Part ikelanstieg aufgrund hoher Abgasrückflihrrate findet dadurch bei geringeren NOx-Werten statt.

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Abbildung 1.2: Innermotorische Maßnahmen zur Senkung der NO,-Emissionen Die effektivste Möglichkeit zur Einhaltung zukünftiger Grenzwerte für Partikelemissionen ist der Einsatz eines Dieselpartikelfilters (DPF), der sich derzeit im Automobilsektor etabliert. Das Abgas durchströmt den Filter, in dem die Partikel festgehalten werden. Eine technische lle rausforderung stellt die Filterregeneration dar. Partikelablagerungen führen zu erhöhtem Abgasgegendruck. wodurch der Kraftstoffverbrauch steigt. Die Regeneration selbst wird während des Fahrens durchgeführt, mittels eines Motorbetriebs. der einen schlechten Wirkungsgrad aufweist (mit einer zusätzlichen späten Nacheinspritzung zur Anhebung der Abgastemperatur). Um diese Nachteile beim Betrieb mit DPF zu reduzieren, ist es notwendig, die erzeugten Partikelemissionen auf niedrigem Niveau einzugrenzen. Da die Abgasrückführrate künftig eher erhöht wird, um die zukünftige NO,-Gre nzwerte einzuhalten, muß das Partikelemissionsniveau bei hoher Abgasrückfuhrrate durch innermotorische Maßnahmen weiter reduziert werden.

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Einleitung

Eine innennotorische Partikelminderungsmaßnahme mit der bestehenden diffusiven' Verbrennung im Pkw - Dieselmotor, bei der keine Verschlechterung der innennotorischen CO- und HC-Emission eintritt , ist die Steigerung des Einspritzdrucks. Die Weiterentwicklung der Dieseleinspritzsysteme in den vergangenen Jahren ging mit einem starken Anstieg der Einsprit zdrücke einher, wobei aktuelle Systeme Spitzendrücke von 2000 bar' erreichen und eine weitere Steigerung absehbar ist. Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang dem Einspritzsystem und der Frage zu, ob mit konventioneller Verbrennungsführung im Pkw-Dieselmotor wesentliche Fortschritte bei der Absenkung der Partikelemission bei hoher Abgasrückführrate durch Anhebung des Einspritzdrucks überhaupt zu erzielen sind . Als Schlüsselinformation für eine solche Poten zialabschätzung gilt die Antwort auf die Frage : Wie wird die hohe kinetische Energie des Kraftstoffstrahls im Pkw-Brennraum, der einen hohen Anteil an extern rückgeführtem Abgas enthält, in eine Absenkung der Partikelemission umgesetzt? Durch den hohen Einspritzdruck wird ein hohes Druckgefalle an den Spritzlöchern der Düse erreicht, das für eine hohe Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffstrahls sorgt. Die direkte Einbringung des Kraftstoffs mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum beeinflusst die Aufbereitung des Kraftstoff-LuftGemisches und dadurch den Verbrennungsablauf. Der Brennverlauf beeinflusst den Innenwi rkungsgrad und die Schadstoffemissionen. Hierbei sind einzelne Auswirkungen der intensiven Wechselwirkung des Kraftstoffstrahls mit dem Brennraumgas erforscht worden : Die feinere Zerstäubung des Kraftstoffstrahls in kleine Tröpfchen, die Erhöhung der Turbulenz im Brennraum, die durch den Strahl induzierten Gasbewegungen, das Einbringen des Gases in den Strahl (Gasentrainment) oder die intensivere Interaktion mit der Mulde . Jedoch steht eine Gewichtung der einzelnen Prozesse in einem einheitlichen Modell noch aus. Gesucht ist ein Modell , das ein besseres Verständnis des Vorgangs erlaubt , der 1 Als diffusiv wird ein kompletter Verbrennun gsvorgang bezeich net, der zu Beginn eine zeitliche Überlappung der Einspritzung und der Verbrennung im Brennraum aufweist. Eine diffusi ve Dieselverbrennung fängt aufgrund des vorhand enen Zündv erzugs mit einem vorgemi schten Verbrennung santeil an. 2 Das Einspritzs ystem CRS3.3 der Robert Boseh GmbH weist einen maximal en Raildruek von 2000bar auf.

Einleitung

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diejenige Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermöglicht, die zu niedrigen Partikelemissionen führt. Ziel der folgenden Darstellungen ist es zu zeigen, wie die kinetische Energie des Kraftstoffstrahls im mittleren Teillastbetrieb mit diffusiver Verbrennungsführung unter Verwendung von Abgasrückführung umgesetzt werden kann, und zwar so, dass die Partikelemission im Abgas maßgebend reduziert wird. Als Versuchsträger stehen hierfür zwei Einzylinder-Versuchsmotoren zur Verfügung, die im Motorenprüffeld des Geschäftsbereichs Diesel Systems der Robert Bosch GmbH betrieben werden. Die zwei Aggregate verfügen über eine moderne Brennverfahrensauslegung mit einem Verdichtungsverhältnis von 16:1 und sind mit Common Rail Einspritzsystemen I ausgerüstet. Beide Aggregate sind repräsentativ für aktuelle Serienmotoren in Pkw-Fahrzeugen mit Dieselkraftstoff. Eine detaillierte Beschreibung der Aggregate ist dem Anhang 1 zu entnehmen. Untersucht wird an beiden Einzylindermotoren an einem für den europäischen Fahrzyklus relevanten Teillastbetriebspunkt. Abbildung 1.3 veranschaulicht den gewählten Betriebspunkt im Kennfeld eines Vollmotors. Zusätzlich ist das Lastkollektiv eines 1500 kg Mittelklasse-Pkw mit einem 2.0 Liter Hubraum Vierzylinder Dieselmotor im Europäischen Zyklus dargestellt. Der blau eingezeichnete Betriebspunkt mit einer Drehzahl von n = 2000 U/min und einer effektiven Last von pme = 6,5 bar liegt im oberen Bereich der Lastkollektive. Dieser Betriebspunkt weist passend zu den Anforderungen der Untersuchungen eine diffusive Verbrennung mit einem Anstieg der Partikelemission bei hoher Abgasrückführrate auf. Bei den Motorergebnissen der Einzylinderversuche ist stets die indizierte Motorlast angegeben, da die Reibung des Einzylindermotors nicht der Reibung eines vergleichbaren Vollmotors entspricht und somit effektive Größen des Einzylindermotors von realistischen Vollmotorwerten abweichen.

Beim Common Rail System (CRS) ist die Einspritzung von der Druckerzeugung cutkoppelt. Der Kraftstoffspeicher (Common Rail) hält dabei den Kraftstoffdruck auch nach der Entnahme von Kraftstoff auf nahezu konstantem Niveau, da aufgrund der Elastizität des Kraftstoffs eine Speicherwirkung entsteht. Eine Beschreibung des Funktion sprinzip s kann dem Anhang 3 entnommen werden. 1

Einlei tung

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Der Vollmotor weist eine indizierte Last von 8 bar auf, wenn ein effektiver Mitteldruck von 6,5 bar anliegt. Somit werden die Einzylinde runtersuchungen In stationären Betrieb be i n = 2000 Ulm in und pmi = 8 bar durch geführt

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Im Folgenden wird zunächst der Wissenstand über die Rußemission und die kraft stoffstrahlgeführte Gemischbildung beim Dieselmotor referiert. Darauf

aufbauend gilt es, fü r den gewählten Teillastbetriebspu nkt bei konstan tem Einspritzdruck den Einfluss der externen Abgasrückführra te auf die Partikelemissio n zu definieren. Dadurch kann in der anschließenden Untersuchung die Veränderung der Partikelemission durch den Einspritzdruck beschrieben werden. Schließlich wird ein Modell für die Umsetzung der hohen kinetischen Energie der Kraftstoffstrahlen vorges tellt, welche zu einer besse ren Gem ischbildung führt.

2 Rußemission bei der dieselmotorischen Verbrennung Die ModelIierung der Rußbildung sowie der Rußoxidation wird derzeit noch weiterentwickelt, während für die Simulation der Bildung von Stickoxiden bereits etablierte Verfahren existieren. Die genauen Reaktionsschemata sowie die dazugehörigen Konstanten sind Gegenstand intensiver Diskussionen. In diesem Kapitel wird deshalb auf den momentanen Stand der Wissenschaft eingegangen.

2.1 Molekulare Ruß bildung Als Partikel werden alle Abgasbestandteile mit Ausnahme von Wasser bezeichnet, die sich bei einer maximalen Temperatur von 51,7 °C aus dem mit Luft verdünnten Abgas auf einem definierten Filter abscheiden [26]. Die Dieselpartikel setzen sich in etwa aus 71 % Ruß, 24 % organischen Verbindungen (Kohlenwasserstoffe), 3 % Sulfaten und zu 2 % aus sonstigen Bestandteilen wie Asche von Öladditiven, Rostpartikeln, Metallspänen , Nitraten , angelagerten Hydraten, usw. zusammen. Der vom Dieselmotor emittierte Ruß besteht zu über 90 % aus Kohlenstoff [20]. Durch den großen Anteil an Kohlenstoff kommt es im Inneren der Partikel zu unregelmäßig verteilten Bereichen mit stark graphitähnlicher Struktur. An diese annähernd kugelförmigen Primärpartikellagern sich im Brennraum Kohlenwasserstoffe, Sulfate sowie feste Rückstände des Kraftstoffes und Schmieröl an. Diese typische Rußpartikelstruktur wird als Agglomerat bezeichnet. Die Primärpartikel erreichen einen Durchmesser von 10 bis 30nm, während die Agglomerate am Ende einen Durchmesser von bis zu 500nm aufweisen können [20]. Die Rußbildung läuft auf molekularer Ebene etwa nach folgenden Prozessen ab [5]: I . Bildung erster polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) 2. Planares Wachstum der PAK 3. Rußkeimbildung durch Formung von dreidimensionalen Clustern aus PAK

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Rußemission bei der dieselmotorischen Verbrennunng

4. Wachstum der Rußkeime zu Rußpartikeln durch Oberflächenwachstum 5. Agglomeration Durch Oxidationsprozesse sowie Zersetzung chemischer Verbindungen durch sehr hohe Wärmeeinwirkung werden die Brennstoffmoleküle unter Abspaltung von Wasserstoff zu Acetylen (Ethin, CzHz) abgebaut. Diese Reaktion verläuft endotherm ab und ist stark temperaturabhängig. Ein Ringschluss des Acetylens führt zu den ersten Aromatenringen. Das planare Wachstum ist immer noch Gegenstand der heutigen Forschung. Es wird jedoch allgemein angenommen, dass die PAK durch einen l-l-Abstraktion/Cyl-l, Additionsmechanismus planar zu wachsen beginnen. Derartige Strukturen dienen in weiterer Folge als die Keime der Rußbildung. Die fortwährende Zusammenballung dieser Acetylenringe führt zu einer Kohlenstoffanreicherung, wodurch sich erste graphit ähnliche Rußteilchen bilden , vorhin als Rußkeime bezeichnet. Die Rußkeimbildung stellt die Voraussetzung für das nachfolgende Oberflächenwachstum dar. Über das Oberflächenwachstum wird der größte Anteil, über 90 % der Rußmenge gebildet. Die Stoffe an der Oberfläche der Rußkeime reagieren mit den Stoffen der umgebenden Gasphase . Hierbei kommt es bei gleichbleibender Partikelanzahl zu einem Zerfall der Acetylenstrukturen, wobei das H/C-Verh ältnis immer weiter abnimmt , jedoch die Partikelgröße und - masse stark zunehmen . Durch Kollision von einzelnen Teilchen findet zusätzlich eine Koagulation statt, aus der weniger, aber dafür größere zusammenhängende Partikel entstehen . Durch dieses Wachstum hat die Koagulation einen dominierenden Einfluss auf die Größenverteilung der Partikel [21]. Aus dem Oberflächenwachstum und der Koagulation entstehen die quasisphärischen Primärpartikel. An diesen Primärpart ikeln findet zusätzlich eine Anlagerung von organischen und anorganischen Stoffe, sowie Sulfaten statt. Die entstehenden Agglomerate können sich ebenfalls durch Obertlächenhaftung zu noch größeren Teilchen zusammenschließen. In Abbildung 2.1 sind die einzelnen Bildungsphasen aufgezeigt.

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