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http://dx.doi.org/10.25673/86462
Title: | Charakterisierung verschiedener Wassereinspritztechnologien für Ottomotoren |
Author(s): | Weber, Sebastian |
Referee(s): | Rottengruber, Hermann![]() Koch, Thomas |
Granting Institution: | Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau |
Issue Date: | 2022 |
Extent: | xix, 151 Seiten |
Type: | Hochschulschrift![]() |
Type: | PhDThesis |
Exam Date: | 2022 |
Language: | German |
URN: | urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-884176 |
Subjects: | Kolbenkraftmaschinen Kraftstoffverbrauch Schadstoffemission Ottomotor Einspritztechnologien |
Abstract: | Die Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission bei gleichzeitiger Verbesserung der Fahrleistung
bei kleinerem Hubraum und reduzierter Zylinderzahl, die erhöhte Performance und die Kompatibilität
mit elektrifizierten Komponenten beschreiben die aktuellen Ziele und Herausforderungen der modernen
Ottomotorentwicklung. Um alle Herausforderungen zu erfüllen, muss ein stöchiometrischer Betrieb
sichergestellt werden. Dabei kann es jedoch an der Volllast zur Überschreitung thermischer Grenzen
im Abgaspfad kommen, weswegen die Abgastemperatur ohne Leistungsverluste abgesenkt werden muss.
Die Wassereinspritzung kombiniert Downsizing, Leistungssteigerung und die Verbesserung der Schadstoffemissionen
wirkungsvoll miteinander und könnte einen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten.
Um ein optimales Systemlayout zu erarbeiten, sind prozessuale Betrachtungen oft nicht ausreichend. Vielmehr
müssen die Phänomene im Brennraum beobachtet werden. Schwerpunktmäßig sind dies die Einbringung
des Wassers, der Wandkontakt, die Spray- und Wandfilmverdampfung und somit die Wirksamkeit
der Abgastemperaturreduktion und die Verbesserung des indizierten Wirkungsgrads. In einem ersten
Schritt werden die Thermodynamik bei Wassereinspritzung analysiert und verschiedene Einspritztechnologien
miteinander verglichen. Fokussiert wird die Verbrennung, die Veränderung in den gasförmigen und
festen Abgasbestandteilen und die mechanische Belastung der Aggregate durch die Verbesserung der Zündwinkel.
Die Mischungseinspritzung über den zentralen Hochdruckinjektor vereint den geringsten Wasserverbrauch
mit bestmöglicher Schwerpunktlage, starker Reduktion des Partikelausstoßes und akzeptabler
Erhöhung der mechanischen Belastung und ist damit das favorisierte Konzept.
Neben den prozessualen Betrachtungen werden mit einem optisch zugänglichen Versuchsträger zwei laseroptische
Messtechniken zur Visualisierung flüssigen Wassers und der spektralen Trennung zwischen Wasser
und Kraftstoff entwickelt und validiert. Damit werden die verschiedenen Varianten optisch vermessen
und die Sensitivität gegenüber veränderten Betriebs- und Randbedingungen ermittelt. Die Sammlereinspritzung
zeigt die größten Tropfen, gefolgt von der Saugrohr- und der Mischungseinspritzung. Auch hat
diese den mit Abstand größten Wandkontakt und die geringste Verdampfungsrate, ist zusätzlich anfällig für
zyklische Schwankungen. Die Saugrohreinspritzung kennzeichnen kleine Tropfen, ein konzentriertes Einströmen
durch den Ventilspalt, ein flächiger Wandfilm auf der Kolbenoberseite und die Verbesserung der
Tropfenverdampfung durch Turbulenz und die Nutzung von Phasing. Favorit ist abermals die Mischungseinspritzung.
Eine hohe Wandfilm- und unmittelbare Sprayverdampfung kennzeichnen das System, wobei
eine Erhöhung des Einspritzdrucks die Verdampfungsrate signifikant verbessert. Außerdem ist die Einspritzdauer
am geringsten und die Reproduzierbarkeit am größten, jedoch auch der applikative Aufwand.
Am favorisierten System werden weitere Analysen durchgeführt, unter anderem zur Veränderung der Bauteiltemperaturen, der Vergleich mit einer Ethanoleinspritzung oder die vielversprechende Kombination in
Form einer Wasser-Ethanol-Mischungseinspritzung.
Auf Basis der experimentellen Erkenntnisse wird ein CFD-Verfahren vorgestellt, das die Wassereinspritzung
abbildet und somit die Virtualisierung in der Produktentwicklung vorantreibt. Neben der methodischen
Vorgehensweise wird das Verfahren validiert und am Einzylinder- und Vollmotorbetriebspunkt vorgestellt.
Die auftretenden Unterschiede werden analysiert und ausgewählte Parameteranalysen durchgeführt. Mit
den Simulationen kann nachvollzogen werden, wie das Wasser die Zylinderlaufbahn benetzt und mit dem
Kolben interagiert. Zusammenfassend charakterisiert diese Arbeit die gängigen Wassereinspritzvarianten
auf unterschiedlichen Ebenen, gibt Optimierungsempfehlungen für die bestmögliche Medienverdampfung
und empfiehlt die Mischungseinspritzung als Systemlayout. Based on the experimental findings, a CFD process is presented that maps the water injection and thus drives the virtualization in product development. In addition to the methodical approach, the process is validated and presented at the single-cylinder and production engine operating point. The differences that arise are analyzed and the influence of selected parameters are pointed out. The simulations can be used to understand how the water wets the cylinder liner and interacts with the piston. In summary, this work characterizes the common water injection variants on different levels, gives optimization recommendations for the best possible media evaporation and recommends mixed injection as a system layout. |
URI: | https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/88417 http://dx.doi.org/10.25673/86462 |
Open Access: | ![]() |
License: | ![]() |
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