Ein phänomenologisches Modell zur kombinierten Stickoxid- und Rußberechnung bei direkteinspritzenden Dieselmotoren

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Verbrennung anhand von zwei Motoren mit Hilfe der Globalen Lichtleit-Messtechnik (GMT) untersucht. Die GMT konnte wertvolle qualitative Informationen über die während der Verbrennung ablaufende Rußbildung liefern: so wurde beispielsweise der größte Vorteil bei der Absenkung der Rußemission durch angelagerte Nacheinspritzung dann erzielt, wenn die Rußbildung anhand des Rußstrahlungssignals in der Nachverbrennung minimiert wurde. Nach dem Vergleich mit Berechnungsgrößen der zweizonigen Druckverlaufsanalyse konnte eine Analogie zwischen der Zwei-Farben-Temperatur und einer fetten Flammentemperatur gefunden werden. Weiterhin wurde mit Hilfe der optischen Größen auch der Einfluss des Restgases auf die fette Flammentemperatur evaluiert. Die umgekehrte Proportionalität zwischen der Bildung fetter Bereiche und der Turbulenzintensität im Brennraum konnte ebenfalls gezeigt und für die Modellierung der an der Rußbildung teilnehmenden Kraftstoffmasse verwendet werden. Diese Erkenntnisse wurden bei der Entwicklung eines Zweizonen-Modells zur kombinierten NO- und Ruß-Berechnung bei DI-Dieselmotoren herangezogen. Basierend auf der kinetischen Turbulenzenergie im Brennraum wurde im Modell die Zumischung zwischen der unverbrannten und verbrannten Zone außerhalb der Flammenzone phänomenologisch beschrieben. Damit ist die Beschreibung des kalorischen Zustandes und einer charakteristischen Gaszusammensetzung im Verbrannten gelungen, worauf die Schadstoffberechnung basiert. Die Wiedergabe der gemessenen Stickoxidkonzentrationen durch das Modell kann als sehr gut beurteilt werden. Hervorzuheben ist die Belegung mit identischen Parametersätzen für beide Versuchsträger unterschiedlicher Bauart: damit war eine Vorausberechnung ohne Abstimmung auf einen Messpunkt möglich. Gegenüber einzonigen Ansätzen konnte ein klarer Vorteil der zweizonigen Berechnung der Rußemission gezeigt werden. Mit dem neuen Modell gelang es Tendenzen von Parametervariationen bei niedriger bis mittlerer Rußemission gut wiederzugeben. Das vorgestellte Zweizonen-Modell, das als Postprozessor in bewährte einzonige Arbeitsprozess-Berechnungsprogramme integrierbar ist, wird in der Arbeit detailliert dokumentiert.

In this work the combustion on two different types of direct injection diesel engines (DI) was examined with the Global Fiber Optics Measurement Technique (GMT). Although a quantitative agreement could not be obtained, the GMT gives valuable qualitative information about the soot formation during combustion: thus the best results concerning the lowering of the soot emission by closer post-injection could be achieved when the soot formation was minimized by the soot radiation signal in the post-combustion. Using the calculated quantities of the two-zone model, which have been compared with the optical values, a very good correlation between the two-color temperature and a rich flame temperature could be obtained. The reciprocal proportionality between the formation of rich zones and the turbulence intensity in the combustion chamber could be shown by means of the soot concentration processes and was used for the modeling of the amount of fuel for the soot formation. The knowledge obtained by the investigation of the combustion by the GMT was considered in the development of a phenomenological two-zone model for a combined nitric oxide and soot emission calculation in DI diesel engines. Basing on a detailed description of the amount of turbulent kinetic energy, the mixing rate between the unburned and burned zone outside the flame zone was described phenomenologically in the model approach. The emission calculation is based on the achieved caloric condition and a characteristic gas composition in the burned zone. The reproduction of the measured nitric oxide concentration by the model in the whole operating range of both engines is excellent. The same amount of parameters for both types of engines was achieved: thanks to this a pre-calculation without calibration at a measured point was possible. Compared with one-zone models the two-zone calculation of the soot emission showed a clear advantage. With the new model it was possible to satisfactorily calculate the soot mass at operating conditions with low and middle measured soot emission. With the combined emission calculation it becomes possible to pre-calculate automatically variations of combustion parameters by linking the model to well-known one-zone real-working-cycle-simulation programs.