Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor [1 ed.] 978-3-7091-8180-5, 978-3-7091-8179-9

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Die

Verbrennungskraftmaschine Herausgegeben von

Prof. Dr. Dr. h. c. Hans List Graz

Band 6

Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor

1967

Springer-Verlag Wien . New York

Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor Von

Dr.-lng. Kurt Lohner

und

o. Professor an der Technischen Hochschule Braunschweig

Dr.-lng. Herbert Muller WissenschaftIicher Rat und Professor an der Technischen Hochschule Braunschweig

Mit 402 Textabbildungen

1967

Springer-Verlag Wien . New York

ISBN-13: 978-3-7091-8180-5 001: 10.1007/978-3-7091-8179-9

e-ISBN-13: 978-3-7091-8179-9

AUe Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) oder sonstwie zu vervielfiiltigen © 1967 by Springer-Verlag/Wien Softcover reprint of the hardcover 15t edition 1967

Library of Congress Catalog Card Number 66-28999

Titel Nr. 9029

Vorwort Es ist Aufgabe des Buches, die Vorgange bei der Gemischbildung und Verbrennung des Otto motors zu schildern und die zur Durchfiihrung des Ottoverfahrens notwendigen Vorrichtungen zu beschreiben. In der von H. LIST herausgegebenen Buchreihe sind in anderen Banden die thermodynamischen Grundlagen, die Kraft- und Schmierstoffe, die Bauelemente und Bauformen von Otto- und Dieselmotoren beschrieben. Die Verfasser konnen sich deshalb in diesem Buch auf die Behandlung der Gemischbildung und der dazu erforderlichen Einrichtungen, der Ztind- und Verbrennungsvorgange mit den Brennraumen sowie der Abgaszusammensetzung beschranken. Die klassische Theorie unterscheidet Ottomotoren und Dieselmotoren. N ach Meinung der Verfasser ist der Ottomotor eine Kolbenmaschine mit innerer Verbrennung, bei der dem Zylinder ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff zugeftihrt wird, das bei Beginn der Verdichtung homogen ist, das verdichtct wird und in der Nahe des oberen Totpunktes durch Fremdztindung (in der Regel mit Hilfe eines elektrischen Funkens) zur Verbrennung gebracht wird. Die eingeleitete Verbrennung pflanzt sich tiber den Brennraum fort, wobei das Fortschreiten der Verbrennung nur von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Gemisches und den durch den Brennraum gegebenen Bedingungen (Stromungsvorgange, Temperatureinfltisse) abhangt. Das Gemisch ist zunachst raumlich und zeitlich homogen. Unter dem EinfluB der wahrend der Verdichtung steigenden Temperatur und durch Wandeinfltisse kann es chemischen Veranderungen unterliegen (Vorreaktionen) und dadurch inhomogen werden. Die Verdichtungsendtemperatur bleibt unterhalb der Ztindtemperatur des Kraftstoffes. Beim klassischen Dieselmotor wird reine Luft verdichtet; in der Nahe des oberen Totpunktes, wenn die Luft hohe Temperatur erreicht hat, wird fltissiger Kraftstoff in mehr oder weniger fein zerstaubter Form in den Brennraum eingespritzt. Die Temperatur der Luft liegt tiber der Ztindtemperatur des Kraftstoffes, weshalb die Ztindung beim klassischen Dieselmotor immer durch die heiBe Luft bewirkt wird. Der Ztind- und Verbrennungsvorgang kann von auBen durch den Ablauf und die Art der Einspritzung beeinfluBt werden. Das Gemisch ist zeitlich und raumlich heterogen. Brennraumform und Luftstromungen spielen deshalb eine viel groBere Rolle als beim Ottomotor. Zwischen Otto- und Dieselmotor lassen sich viele Ubergangsformen definieren, die man neuerdings unter der Bezeichnung Hybridmotor zusammenfaBt. Der entscheidende Unterschied zwischen dem Ottomotor und dem nachstverwandten Hybridmotor kann durch zwei Fragen geklart werden: 1. 1st das Gemisch bei Verdichtungsbeginn homogen 1 2. Wird das Gemisch durch eine fremde Ztindquelle geztindet 1 In diesem Buch wird nur tiber Ottomotoren berichtet, bei denen diese beiden Fragen mit Ja beantwortet werden konnen. Ein Motor mit Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum und mit Funkenztindung ist dann als Ottomotor anzusehen, wenn die Einspritzung so frtih und so gleichmaBig tiber den Brennraum erfolgt, daB zu Beginn der Verdichtung oder spatestens bei der Ztindung, abgesehen von den Vorreaktionen, ein homogenes Gemisch vorhanden ist. Er gehort aber zu den Hybridmotoren, wenn man auch bei

VI

Vorwort

Verwendung einer Funkenzundung durch die Art der Kraftstoffeinspritzung, z. B. eine geschichtete Ladung, also eine raumlich (oder zeitlich) inhomogene Mischung erzielen will. Die in diesem Buch behandelten theoretischen Grundlagen des physikalischen und chemischen Ablaufes bei der Gemischbildung und Verbrennung im Otto motor werden ebenso wie die Beispiele ausgefUhrter Anlagen so eingehend besprochen, daB dieses Buch fUr den Fachmann in Forschung, Entwicklung und Betrieb sowie auch fUr den Studenten hoheren Semesters als wertvolle Hilfe dienen kann. Fur die Uberlassung von Zeichnungen, Prospekten und Photos zur Darstellung der ausgefuhrten Anlagen mochten wir der lndustrie unseren Dank aussprechen. Ebenfalls haben wir mehreren Mitarbeitern am lnstitut fur Kolbenmaschinen fUr ihre Mithilfe zu danken, insbesondere Herrn Dipl.-lng. G. KLINK und Herrn Dipl.-lng. H. OETTING. Wir danken auch dem Springer-Verlag in Wien und seinen Mitarbeitern fur das bereitwillige Eingehen auf unsere Wunsche, wodurch sich eine angenehme Zusammenarbeit ergab. Braunsch weig, im Februar 1967

K. Lohner und H. Muller

Inhaltsverzeichnis Seite

A. Einleitnng ....................................................................... . B. Physikalische nnd chemische Grundlagen ............................................ . I. Luft ........................................................................ 1. Zusammensetzung der Luft ................................................. 2. Bezugszustande fUr Leistungsvergleiche ...................................... 3. Gleichungcn zur Umrechnung auf den Bezugszustand ......................... 4. Anreicherung der Luft mit Sauerstoff ....................................... 5. Einflu13 von Abgasgehalt und Aufladung .....................................

. . . . . .

II. Kraftstoff 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Allgemeine Anforderllngen an die Kraftstoffe ................................. Chemische Zusammensetzung und Eigenschaften der Kraftstoffe ................ Kraftstoffzusatze ........................................................... Heizwert der Kraftstoffe ................................................... Gemischheizwert und Wirkungsgrad ......................................... Anderung der MolekiilzahI wahrend der Verbrennung (Molverhaltnis) ........... Stoffwerte fUr Kohlenwasserstoffe ........................................... Siedelinien von Kraftstoffgemischen .........................................

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2 2 2 3 3 5 5 6

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III. Gemischbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Gemischbildung im Vergaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. Kraftstoffverdampfung ...................................................... a) Kraftstoffverdampfung aus einer ruhenden Kraftstoffoberflache . . . . . . . . . . . . .. b) Berechnung des Gleichgewichtszustandes im Vergaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. c) i,x-Diagramme fUr Gemische aus Luft, Wasser und Kraftstoff.. . . . . . . . . . . . .. d) Einflu13 des VerIaufes der Siedekennlinie auf den Motorbetrieb .............. e) Einflu13 der Verdampfung auf Kraftstoffvolumen und Vergasertemperaturen .. 3. Vergaservereisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. a) Einfliisse auf Vergaservereisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. b) Grund fUr die Eisbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. c) Ort und Folgen der Eisbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. d) Temperaturen des Vergasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. e) Beobachtung der Eisbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. f) Vereisungskennzahl zur Beurteilung von Kraftstoffen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. g) Ma13nahmen gegen Vergaservereisung....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. Gemischbildung und -verteilung in der Saugleitung ........................... , a) Richtlinien zur Erreichung gleichen Liefergrades....... .... .. . .. ... ... . . .... b) Richtlinien zur Erreichung gleicher Gemischverteilung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. c) Abhangigkeit der Gemischverteilung von Drehzahl, Belastung und Saugfolge.. d) Einflu13 der Lage der Drosselklappe und der Hauptdiise auf die Gemischverteilung e) Einflu13 des Kraftstoffilmes auf die Gemischverteilung ..... . . . . . . . . . . . . . . . .. f) Einflu13 des Druckes in der Saugleitung auf die Ausbildung des Kraftstoffilmes g) Einflu13 der Kraftstofftropfen auf die Gemischverteilung ................... , h) Einflu13 der qualitativen Verteilung der Kraftstoffkomponenten auf die Oktanzahl i) Gemischverteilung bei gasformigem Kraftstoff...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. j) Eintritt des Kraftstoffilmes in den Zylinder ...............................

18 22 24 24 27 28 31 32 34 34 35 35 36 36 38 39 40 41 42 43 45 46 47 49 49 52 53

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InhaItsverzeich nis Seitc

5. GemhlChvorwarmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. a) Kraftstofferwarmung in geheizter Einspritzdiise ............................ b) Vorwarmung des Luft-Kraftstoff-Gemisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. c) Kraftstoffverdampfung durch abgasbeheizten HeiBpunkt .................... d) Gemisch- und Luftvorwarmung ...................... , .. . . . . . . . . . . . .. .. ... e) Temperaturverteilung an der Saugleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. f) Vergleich von HeiBpunktbeheizung, Gemisch- und Luftvorwarmung . . . . . . . . ..

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6. Kraftstoffeinspritzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. a) Ort und Art der Kraftstoffeinspritzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. b) Vor- und Nachteile der Kraftstoffeinspritzung bei der Gemischbildung ....... c) Aufliisung des Kraftstoffstrahles .......................................... d) Anforderungen an die Einspritzdiise.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. e) EinfluB der Motortemperatur und des atmosphiirischen Zustandes auf die Einspritzmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. f) Miiglichkeiten der Leistungssteigerung durch Einspritzung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. g) EinfluB von Drosselklappen- und Diisenlage, Einspritzbeginn und Einspritzdauer h) Kraftstoffeinspritzung in die Saugleitung ........................... . . . . . .. i) Kraftstoffeinspritzung vor das EinlaBventil jedes Zylinders . . . . . . . . . . . . . . . . .. j) Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder ..................................... k) Gemischbildung und Verdampfung bei Zylindereinspritzung.. . . . . . . . . . . . . . . .. I) Einspritzzeiten bei Zylindereinspritzung ................................... m) Herstellen einer geschichteten Ladung (Hybridmotor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. n) Kraftstoffeinspritzung beim Zweitaktmotor ................................

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7. Alkohol- und Wassereinspritzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. a) Wirkung der Verdampfungswarme ........................................ b) Berechnung des Einflusses der Wassereinspritzung beim vollkommenen Motor c) Siittigungsgrenze fiir Wasseraufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. d) EinfluB der Alkohol- und Wassereinspritzung auf Brennraumtemperaturen und Klopfneigung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

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IV. Verbrennung............................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

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1. Vorreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

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a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) I)

m) n)

Temperaturen bei Verdichtungsbeginn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Reaktionen der Kraftstoffe vor der Ziindllng .............................. Untersuchung der Vorreaktionen in fremd angetriebenen Motoren. . . . . . . . . . .. AusmaB und Entstehungszeit der Vorreaktionscnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Temperatursteigerung durch Vorreaktionen ................................ Druck- und Energieentwicklung bei verschiedenen Kraftstoffen. ............. Zusammenhang zwischen Klopftendenz und Vorreaktionen bei verschiedenen Kraftstoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Strahlung nnd Bereich der kalten Flamme ................................ Abhiingigkeit der Vorreaktionsenergie von Kraftstoffzusiitzen . . . . . . . . . . . . . . .. Kaltflammenbereich fUr verschiedene Kraftstoffe und Zusatze ............... Wirkung von Bleitetraathyl auf die zweite kalte Flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Vorreaktionsprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. EinfluB von Temperatur, Zeit und Ablagerungen auf Vorreaktionen ......... Unterschiedliche Reaktionsarten der langsamen Oxydation bei verschiedenen Kraftstoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

2. Gliihziindung (Friihziindung). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. a) Ursachen und Folgen der Gliihziindung ................................... b) Abgrenzung der Gliihziindung vom Klopfen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. c) Bedingungen fUr die Einleitung der Gliihziindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. d) Druckverlauf bei Gliihziindung ........................................... e) Verbrennungsablauf bei Gliihziindung ..................................... f) Verbrennungsablauf bei Wild Ping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. g) Unterschiedliche Neigung der Kraftstoffe zur Gliihziindung ................. h) Beurteilung der Gliihziindungsneigung von Kraftstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. i) EinfluB von atmospharischen Bedingungen und Betriebsbedingungen auf Gliihziindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. j) Entstehung der Ablagerungen ............................................ k) Starke der Gliihziindung abhangig von der Ablagerungsart .................. I) Katalytische Wirkung bei Gliihziindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. m) MaBnahmen gegen Gliihziindung ..........................................

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79 79 82 82 83 85 86 89 90 90 90 92 93 94 96 96 98 99 101 103 103 104

Inhal tsverzeichnis

IX Seite

3. Ziindung ................................................................... a) Ziindung durch Warmeleitung, Molekiilanregung und Dissoziation ............ b) Abhangigkeit der Ziindtemperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. c) Abhangigkeit der Flammengesohwindigkeit ................................. d) Einflu/3 von Starke und Zahl der Ziindfunken ............................. e) EinfluJ3 des Ziindzeitpunktes ............................................. f) Gro/3e der minimalen Ziindenergie ........................................ 4. Ziindverzug ......................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. a) Auftreten und Messung des Ziindverzuges ................................. b) Art der auftretenden Reaktionen ......................................... c) Unterschiede des Ziindverzuges bei Bomben- und Motorversuchen ............ d) EinfluJ3 von Kraftstoffart und Luftverhaltnis auf den Ziindverzug . . . . . . . . . .. e) EinfluJ3 von Kraftstoffzusatzen auf den Ziindverzug ........................ f) EinfluJ3 des Ziindzeitpunktes auf den Ziindverzug ........ . . . . . . . . . . . . . . . . .. g) Druckabhangigkeit des Ziindverzuges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. h) Einflu/3 der Kraftstoffart auf den Druckverlauf '" ......................... i) Berechnungsmoglichkeit des Ziindverzuges ................................. 5. Verbrennungsablauf (Flammenbewegung) .................................... " a) Entstehung der Flammenfront ............................................ b) Flammenbewegung und Energieentwicklung ................................ c) Verdrangungswirkung der Flammenfront ................................... d) Form der Flammenfront .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. e) Unterschiede der einzelnen Zyklen ........................................ f) Unterschiede zwischen Ziind-, Verbrennungs- und Flammengeschwindigkeit ... g) EinfluJ3 der Wirbelung auf die Flammengeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. h) Einflu/3 des Luftverhaltnisses und der Ziindeinstellung auf die Flammengeschwindigkeit ................................................................. i) Einflu/3 des Verdichtungsverhaltnisses auf die Flammengeschwindigkeit ....... j) EinfluJ3 der Zahl und Lage der Ziindkerzen auf die Flammengeschwindigkeit ... k) EinfluJ3 von Zusatzen auf die Flammengeschwindigkeit ..................... 6. Klopfen ................................................................... a) Klopfen als Warmeexplosion oder Kettenreaktion .......................... b) Ablauf der langsamen Oxydation in mehreren Stufen... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. c) Schema des Energieumsatzes ............................................. d) Detonations- und Verdichtungstheorie ..................................... e) Temperatur bei Klopfeintritt ............................................. f) Druck- und Ionisationsmessungen ......................................... g) Flammenaufnahmen beirn Klopfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. h) Flammengeschwindigkeit beirn Klopfen .................................... i) Leistungsabfall beirn Klopfen ............................................. j) Einflu/3 der Betriebsbedingungen auf das Klopfen .......................... k) EinfluJ3 von Luftverhaltnis und Kraftstoffart auf das Klopfen .............. I) EinfluJ3 von Brennraumablagerungen auf das Klopfen ...................... m) EinfluJ3 von Brennraumform und Brennraumgro/3e auf das Klopfen . . . . . . . . .. n) Verwendung von Antiklopfmitteln ......................................... 0) Wirkungsmechanismus von Bleitetraathyl .................................. p) Zersetzung von Bleitetraathyl ............................................ q) Klopfminderung durch Abgas-, Wasser- und Alkoholbeimischung ............ r) EinfluJ3 des Materials der Brennraumwand ................................ s) Berechnung des Spitzendruckes bei Klopfen ...............................

104 104 105 106 107 108 109

V. Abgas..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. Ursachen unvollkommener Verbrennung ...................................... 2. Wassergasgleichgewicht und Dissoziation ...................................... 3. EinfluJ3 des Luftverhaltnisses und der Kraftstoffart auf die Abgaszusammensetzung 4. Abhangigkeit des Kohlenoxidgehaltes yom Betriebspunkt ...................... 5. Abhangigkeit des Kohlenwasserstoffgehaltes von Probenahmeort und -zeit........ 6. EinfluJ3 der Aufbereitungsart des Kraftstoffes .................................

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III

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C. Ausgefiihrte Anlagen ............................................................... 160 1. Vergaser ..................................................................... 160 1. Aufgaben des Vergasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 160

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a) Gemischzusammensetzung ................................................ 160 b) Zerstaubung des Kraftstoffes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164 c) Beeinflussung der Gemischmenge.......................................... 165 2. Wirkungsweise des Vergasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. a) Prinzip des Vergasers .................................................... b) Rcgeleingriffe am Vergaser ...............................................