Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-4290
Authors: Emmrich, Thomas
Title: Beitrag zur Ermittlung der Wärmeübergänge in Brennräumen von Verbrennungsmotoren mit homogener und teilhomogener Energieumsetzung
Other Titles: Contribution for determining of the heat transfer in combustion chambers of Combustion engines with homogeneous and partial-homogeneous combustion
Issue Date: 2010
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-52463
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4307
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4290
Abstract: Die Entwicklung des Dieselmotors wird in der heutigen Zeit von verschiedenen Triebkräften beeinflusst. Neben der Limitierung der Emissionswerte, stehen auch Kostendruck und Schonung der Energieressourcen im Vordergrund. In der Energiebilanz des Dieselmotors nimmt der Wandwärmeverlust mit ca. 25% einen bedeutenden Teil ein. Deshalb ist die experimentelle Bestimmung der Wandwärmeübergänge bzw. ein Vergleich mit den bestehenden Wandwärmemodellen bei alternativen Brennverfahren von großem Interesse. Für die Grundlagenuntersuchungen wurden umfangreiche Schleppversuche über ein breites Drehzahlband durchgeführt. Mit zunehmender Drehzahl stiegen die gemessenen Oberflächentemperaturen infolge der wachsenden Kompressions- und Reibarbeit an. Strömungseinflüsse auf den Verlauf der Oberflächentemperaturen konnten nur im Bereich des Muldenrandes beobachtet werden. Für ein idealhomogenes Brennverfahren mit äußerer Gemischbildung wurde der Modellkraftstoff Butan verwendet. Anhand von Parametervariationen von Ladedruck, Ladelufttemperatur, Drehzahl und Verbrennungsluftverhältnis wurde ein Überblick für die Einflussnahme auf Verbrennungsbeginn und Brennverlauf dieser Parameter erstellt. Die größten Einflüsse konnten durch veränderten Ladedruck und Verbrennungsluftverhältnis festgestellt werden. Zur Bestimmung des Verbrennungsluftverhältnisses aus dem Abgas beim idealhomogenen Brennverfahren mit Butan wurden die Berechnungsverfahren nach Pischinger, Simmons und Brettschneider im Bereich 4 < lambda < 6 untersucht. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den Rechenwerten aus Kraftstoff- und Luftmassebestimmung konnte nicht gefunden werden. Die experimentelle Bestimmung der Wärmeübergangsbedingungen ist bei vergleichbaren Randbedingungen für vier verschiedene Brennverfahren (zwei homogene, ein teil-homogenes und ein heterogenes Brennverfahren) bei einem vergleichbaren Lastpunkt von pmi_HD = 6 bar durchgeführt worden. Zusätzlich wurden dazu die Wärmeübergangsmodelle nach Woschni, Hohenberg und Bargende für die vier Brennverfahren verglichen. Um Einflüsse im Temperaturverlauf durch Schichtaufträge (z.B. Partikel) auf den Oberflächenmessstellen zu eliminieren, wurde bei Bedarf ein rechnerisches Verfahren zur Russschichtkorrektur zur Anwendung gebracht. Die so hergestellte Vergleichbarkeit der Resultate aus den Oberflächentemperaturmessungen zeigte deutliche lokale und zeitliche Unterschiede zwischen der homogen und der heterogenen Verbrennung. Der Wärmeübergang bei der homogenen Verbrennung ist gekennzeichnet durch: - Einen nahezu gleichmäßigen und gleichverteilten Anstieg der Oberflächentemperaturen an den Messstellen. - Die lokalen Temperatur– und Wärmestrommaxima werden in einem sehr schmalen Winkelbereich erreicht. Der Wärmeübergang bei der heterogenen Verbrennung ist gekennzeichnet durch: - Einen auf die Verbrennungszonen begrenzten Anstieg der Oberflächentemperaturen an den Messstellen. - Infolge der räumlichen Begrenzung der Verbrennung und der Impulswirkungen durch die Hochdruckeinspritzung werden die lokalen Temperatur- und Wärmestrommaxima zu unterschiedlichen Kurbelwinkelstellungen erreicht. Der Vergleich der absoluten, experimentellen Wandwärmeverluste zeigt, dass diese für die beiden homogenen Brennverfahren infolge der oben genannten Randbedingungen und der homogenen Temperaturverteilung des Brenngases betragsmäßig etwa gleich sind. Für das heterogene und das teilhomogene Brennverfahren wurden höhere Wandwärmeverluste als für die Homogenen bestimmt. Das resultiert aus der inhomogenen Temperaturverteilung im Brenngas und der Anordnung der Messstellen in Strahllage. Insbesondere für das teilhomogene und das heterogene Brennverfahren konnte die thermische Isolationswirkung der Russschicht auf den Wärmeübergang vom Brenngas in die Brennraumwand deutlich gemacht werden. Die Vergleiche der experimentellen Wandwärmeverläufe mit den Verläufen aus den Wärmeübergangsmodellen müssen differenziert bewertet werden. So zeigten die Ansätze nach Bargende und Hohenberg für die untersuchten homogenen Brennverfahren (Idealhomogen und Homogen-DI) eine gute Übereinstimmung mit den Messungen aus den Versuchen. Für das heterogene Brennverfahren (Diesel-DI) konnten die besten Übereinstimmungen im zeitlichen Verlauf mit dem Ansatz nach Woschni gefunden werden. Die integralen Wandwärmeverluste spiegelt der Ansatz nach Bargende hierfür wieder. Bezüglich der teilhomogenen Verbrennung (Split Combustion) kann keines der untersuchten Wärmeübergangsmodelle favorisiert werden. Speziell durch den Anteil der späten heterogenen Teilreaktion wird der tatsächliche Wärmeeintrag in die Brennraumwandung wegen der geringen Änderung im Zylinderdruckverlauf durch die untersuchten Wärmeübergangsmodelle nur ungenügend wiedergegeben. Die Notwendigkeit einer allgemeingültigen und physikalisch fundierten Formulierung für den brennraumseitigen Wärmeübergang bleibt durch die Resultate dieser Arbeit unberührt.
The present development of the diesel engine is influenced by different driving forces. Besides the tightening of the emission values, cost pressure and the sustainable usage of energy resources have to be taken into consideration. A reduction of the emission inside the engine can be achieved by implementing alternative combustion systems. In the energy balance of the diesel engine the loss of wall heat takes with approx. 25% an important part. Therefore, the experimental computation of the wall heat transfers or a comparison with the available wall heat models for alternative combustion systems is very important. During the basic investigations a wide range of towed motor tests was carried out. With increasing the engine speed the measured surface temperatures are rising as a result of the growing compression and friction work. Flow influences on the course of the surface temperatures could only be observed in the range of the hollow margin. For an ideal-homogeneous combustion process with external carburation the model fuel butane was used. On the basis of the parameter variations of boost pressure, loading air temperature, engine speed as well as combustion air ratio a plan for influencing the combustion beginning and course of these parameters was created. The main influences could be ascertained by changing boost pressure and combustion air ratio. For computating the combustion air ratio in the exhaust gas at an ideal-homogeneous combustion process with butane the calculation methods of Pischinger, Simmons and Brettschneider in the range 4 < lambda < 6 were used. A satisfactory agreement with the arithmetic values of fuel and air mass regulation could not be found. The experimental computation of the heat transfer conditions was carried out with comparable marginal conditions for four different combustion processes (two homogeneous ones, a partial-homogeneous and a heterogeneous combustion process) at a comparable load point of imep(hp) = 6 bars. Additionally the heat transfer models by Woschni, Hohenberg and Bargende were compared for these four combustion processes. To eliminate influences on surface measurement points in the temperature course by precipitation (for example particles), a numerical process for soot coating correction was used if it was necessary. The so made comparability of the results of the surface temperature measurements showed clearly local and temporal differences between homogeneous and the heterogeneous combustion. The heat transfer for homogeneous combustion is marked by: - A nearly steady and uniformly-distributed increase of the surface temperatures in the local measurement points. - The local temperature- and heat flux maxima are reached in a very narrow angle range. The heat transfer for heterogeneous combustion is marked by: - An increase of the surface temperatures limited on the combustion zones in local measurement points. - As a result of the local limitation of the combustion and the impulse effects of the high-pressure injection the local temperature- and heat flux maximas are reached at different crank angle positions. The comparison of the absolute, experimental wall heat losses shows that for both homogeneous combustion processes the amount is almost the same. For the heterogeneous one and the partial-homogeneous combustion process higher wall heat losses were determined. These are the results of the inhomogeneous temperature distribution in the combustion gas and the configuration of the measuring points in injection spray position. In particular the effect of thermal isolation of the soot layer on the heat transfer from the combustion gas to the wall of combustion chamber could be made evident for the partial-homogeneous and the heterogeneous combustion process. The comparisons of the experimental heat transfer with the courses from the heat transfer models must be valued sophisticatedly. Thus the terms by Bargende and Hohenberg showed a good correspondence with the measurements from the attempts in for the examined homogeneous combustions (Idealhomogen and Homogen-DI). For the heterogeneous combustion (Diesel-DI) the best correspondence in characteristics could be found with the approach of Woschni, in total with the term by Bargende. With regard to the partial-homogeneous combustion (Split Combustion) none of the examined heat transfer models can be favoured. Especially for the partial-homogeneous combustion, the rate of the late heterogeneous partial combustion is only insufficiently displayed by the examined heat transfer models. The need of a general valid and physically based formulation for the heat transfer from the combustion chamber to the wall remains untouched by the results of this work.
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