Experimentelle und theoretische Untersuchung homogener und teilhomogener Dieselbrennverfahren

Abstract

In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze für eine bessere Homogenisierung und eine günstigere Verbrennungsführung untersucht und bewertet. Die Bandbreite reicht dabei von einem ideal homogenen Brennverfahren mit äußerer Gemischbildung bis zu einem teilhomogenen Verfahren mit innerer Gemischbildung und später Einspritzung. Mit einem ideal homogenen Brennverfahren ist es möglich, die Ruß- und Stickoxidbildung vollständig zu vermeiden. Problematisch ist die durch eine unkontrollierbare, schnelle Verbrennung begrenzte maximal möglich Motorlast im Bereich von 4 - 5 bar indiziertem Mitteldruck. Für eine Anwendung im Fahrzeugmotor besteht außer dem sehr begrenzten Lastbereich die Problematik der Verbrennungsregelung, welche (wenn überhaupt) nur mit Hilfeeines kostspieligen variablen Ventiltriebs realisiert werden kann. Ein größeres Potenzial zeigen Verfahren mit einer Direkteinspritzung nahe dem oberen Totpunkt. Die Vormischung von Kraftstoff und Luft und damit die Vermeidung der Rußbildung wird durch eine gute einspritzseitige Gemischaufbereitung erreicht. Die Stickoxidemission kann aufgrund der hohen AGR-Verträglichkeit dieses Verfahrens auf sehr niedrige Werte gebracht werden. Mit steigender Last muss die Verbrennung zur Vermeidung hoher Druckgradienten deutlich nach OT erfolgen, wodurch sich der Wirkungsgrad signifikant verschlechtert. Aber auch hier ergibt sich aufgrund der vollständig vorgemischten Verbrennung eine Lastgrenze von ca. 10 bar indiziertem Mitteldruck. Zur instationären Regelung der Verbrennung kann die Abhängigkeit vom Einspritzzeitpunkt ausgenützt werden. Bei den genannten Brennverfahren ergibt sich aufgrund der vollständigen Vormischung die Problematik der Lastbegrenzung aufgrund einer zu schnellen Reaktion. In dieser Arbeit wird bereits eine Lösungsmöglichkeit durch eine „quasi-vorgemischte“ Verbrennung angedeutet. D.h. die Gemischaufbereitung der Düse ist so ausgezeichnet, dass die Enflammung erst in weit von der Düse entfernten, vorgemischten Bereichen stattfindet. Die Verbrennung erfolgt fast zeitgleich mit der Einspritzung und wird von der Einspritzrate gesteuert. Dadurch kann das Verbrennungsgeräusch gering gehalten werden und eine Anwendbarkeit des Verfahrens auf hohe Lasten ist ebenfalls gegeben. Hinsichtlich der einspritzseitigen Gemischaufbereitung muss allerdings noch einiges an Entwicklungsarbeit geleistet werden. Insbesondere die Wandlung der Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie des Einspritzsystems muss bei gleichzeitig verringerten Spritzlochdurchmessern und gesteigerten Einspritzdrücken realisiert werden.

In this work different approaches for alternative diesel combustion systems are investigated by experimental and numerical means. The investigated combustion systems range from ideal homogenous combustion with external mixture formation to partly homogenous combustion with internal mixture formation and late injection. The investigation of ideal homogenous combustion with external mixture formation with several different fuels concludes the following: A combustion without smoke and nitrogen-oxide emission can be achieved by an homogenous, lean compression ignition. The load range is limited by a too early and too fast heat release resulting in high cylinder pressures gradients. Exhaust gas recirculation (EGR) is an effective means to slow down the combustion and to extend the usable load range. However, as EGR is increased and the fuel-air ratio approaches 1, the fuel consumption and the HC- and CO-emission rises. The different investigated fuels do not exhibit a significant extension of the load range. Combustion systems with direct injection and high EGR show a higher potential for extending the load range while avoiding nitrogen-oxide formation. The mixture formation plays the major role at this type of combustion system. The results regarding the mixture formation can be summarized as follows: The injection timing is the central value which influences the time for mixture formation (ignition delay) and the mixture distribution by the position of the fuel jet in the combustion chamber. Early injection timings (at gas temperatures below 800 K) lead in every examined case to wall wetting and oil dilution. Narrow spray cone angles and multiple injections offer no solution of this problem. The mixture formation by the injection system is improved by high injection pressure, conical convergent spray holes, small hole diameters and large spray cone angles. A process with injection close to TDC was examined for higher engine loads. The late injection results in a shorter ignition delay and a more inhomogeneous mixture distribution. This leads to a slower combustion but also to a lower EGR acceptance compared to processes with an earlier injection timing. The retarded combustion situation may give rise to disadvantageous consumption due to partially combusted fuel and a loss of change-in-volume work. In combination with high EGR rates, it is also possible with this process to virtually suppress soot and nitrogen-oxide formation. The experimental results show a strong dependence of the (partly) homogenous combustion systems on the slowly controllable values such as charge composition and temperature. This makes a combustion control essential for the use in vehicle engines. For combustion systems with a high degree of homogenisation, the only control method is to vary the temperature and the composition of the cylinder charge. With a 1D-cycle simulation of a variable valve train, it is shown that charge cooling by early intake valve closing or internal EGR with a second exhaust valve lift during the intake stroke could be a suitable control method. With a partly homogenous combustion system, there is an easier control method available, because there is a significant dependence of the start of injection and the combustion sequence. The development progress of homogenous and partly homogenous combustion systems is coupled with the injection and the mixture formation process. First results with an injection nozzle with a drastic reduction of the spray hole diameter show a combustion with hardly any soot and nitrogen-oxide emissions accompanied by acceptable combustion noise. The excellent mixture preparation and the high injection velocity lead to a start of combustion in well prepared mixture regions far away from the nozzle outlet. This could be one step towards the vision of a premixed diesel combustion in the whole engine map which is driven by the injection rate.