Kurzbeschreibung
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Aufbauend auf zürlich am LAV abgeschlossenen Arbeiten soll dieser Themenkreis hiermit weiter untersucht werden. Die Resultate werden nicht nur für die Entwicklung neuer Brennverfahren von Bedeutung sein, sondern auch für diejenige neuer Injektoren und Einspritzsysteme und sind somit auch für die auf diesem Gebiet sehr starke Schweizer Zulieferindustrie für die Automobilbranche von strategischem Interesse.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Die vorliegende experimentelle Arbeit befasst sich mit Emissionen von direkt einspritzenden Dieselmotoren. In diesem Zusammenhang ist ein gutes Verständnis der Russbildung und –oxidation wesentlich; diese Vorgänge werden in der vorliegenden Arbeit mit optischen Methoden untersucht. Für diese Arbeiten wird die Hochtemperatur- /Hochdruckzelle (HZTDZ) des Laboratoriums für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme verwendet, wobei bildgebende (2D) optische Methoden zur Untersuchung der Vorgänge der Russbildung und –oxidation eingesetzt werden. Die Ergebnisse dienen auch zur Validierung von Modellrechnungen, welche die Voraussage von Russemis-sionen erlauben. Die Experimente zur Untersuchung der Bildung von PM-Emissionen (Particulate Matter) wurden unter konstantem Zustand (Druck und Temperatur) des Versuchsträgers durchgeführt, wobei unter konstanten Einspritzzeiten der Ein-spritzdruck der Common - Rail – Einspritzung variiert wurde. Es gelangten zwei verschiedene optische Methoden zum Einsatz, ein auf einer Zweifarbenpyrometrie beruhendes 2D-Verfahren zur Bestimmung der Russtemperatur und des KL-Faktors (ein Mass für den Russ-Volumenanteil) sowie ein Laseroptisches Verfahren (Gesamtstaub Laser BDL) zur Bestimmung des Russ-Volumenanteils. Ferner wurden durch Auswerten von gemessenen Verbrennungs-drücken und optischen Signalen der Zündverzug bestimmt. Messungen bei 40 bar Zellendruck, 790 K Zellentemperatur und 3 ms Einspritzzeit zeigen mit steigendem Einspritz-druck (500 bar, 1000 bar, 1300 bar) einen abnehmenden Zündverzug und abnehmenden KL-Faktor wobei die Russtemperatur zunimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei steigendem Einspritzdruck der Brennstoff besser zerstäubt und schneller und intensiver mit Luft vermischt wird, was sich auch durch einen höheren Anteil der vorgemischten Verbrennung zeigt. Im Vergleich ergibt das BDL-Verfahren einen höheren Russ-Volumen-Anteil als der pyrometrisch bestimmte KL-Faktor. Dies ist dadurch zu erklären, dass mit der Pyrometrie nur der heisse leuchtende Anteil des Russes erfasst wird, während mit dem BDL-Verfahren auch kältere nicht leuchtende Anteile einbezogen werden. Zweifarben Pyrometer und Gesamtstaub Laser (BDL) sollen auch für die geplanten Versuche zur Untersuchung des Einflusses des Brennstoffs auf die Verbrennung eingesetzt werden. Es sind Untersuchungen an Diesel/Butylal Gemischen mit 25% und 50% Masseanteile Butylal, sowie Diesel/Wasser-Emulsionen mit 13% und 25% Wasseranteil geplant. Zur Bestimmung des Zündverzugs sollen zusätzlich eine Chemolumineszenz - Methode zur Detektion der OH und CH - Bildung eingesetzt werden. Es sind Messungen am Einhubtriebwerk geplant.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme, ETH Zürich, IET-LAV
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Margari,Ourania-Nektaria
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer detaillierten Analyse von Emissionswerten für Direkteinspritzung bei Dieselmotoren. Beim Einsatz berührungsloser optischer Messverfahren wird eine Analyse der Verbrennungsprozesse benötigt, um ein Verständnis für die Russbildung und der dabei einhergehenden Oxidationsprozesse zu erlangen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine experimentelle Untersuchung in einer Hochtemperatur- und Hochdruckzelle am LAV der ETH Zürich durchgeführt. Zur Untersuchung der Russbil-dung bei transienten Dieselstrahlen wurden die beiden laseroptischen Verfahren Mehrwellenlängenpyrometrie und „back diffused laser technique“ (BDL) simultan angewandt. Eine Analyse wurde durchgeführt, basierend auf dem aufgezeichneten Drucksignal und dem detektierten Flammenlicht, zur Identifizierung des Zündverzugs, der Dauer der Vormischverbrennung, des Einsatzes der diffusiven Verbrennung und der gesamten Brenndauer. Zum Einsatz kommen ein Referenzdieselkraftstoff, sowie unterschiedliche Zumischungen von Butylal (sauerstoffhaltig) und Wasser-Dieselemulsionen, wobei der Einspritzdruck variiert wird und sowohl der eingespritzte Massenstrom, die Zelltemperatur als auch der Zelldruck vor dem Einspritzen konstant gehalten werden. Die Bildung von „Particulate Matter“ (PM) Emissions wird unter gleichen Bedingungen untersucht.
Ein Vergleich der beiden Messverfahren zeigt auf, dass obwohl die KL-Faktoren (ein Mass für die Russkonzentration) wie sie basie-rend auf dem Pyrometerverfahren berechnet werden, höher sind als im Falle des BDL Verfahrens, der Trend der mittleren KL-Faktoren derer zeitlichen Integration nach dem Einspritzen für beide Verfahren vergleichbar sind. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Einspritzdruckes untersucht, wobei die eingespritzte Kraftstoffmasse konstant gehalten wurde. Es zeigt sich, dass eine Ände-rung des Einspritzdruckes von 500bar bis 900bar einen Abfall der mittleren Temperatur und des volumetrischen Anteiles der Russ-wolke bewirkt. Von 900bar bis 1300bar bleibt sowohl die mittlere Temperatur als auch die Wärmeabgabe konstant, während das Maximum des volumetrischen Russanteiles zu höheren Werten tendiert jedoch unter höheren Oxidationsraten. Zuallerletzt wurde der Einfluss der Brennstoffeigenschaften untersucht unter Einsatz folgender Brennstoffzusammensetzungen: Diesel, zwei Mischun-gen (25% und 50% nach Masse) mit sauerstoffangereichertem Dieselzusatz (Butylal) und zwei Wasser-Diesel Emulsionen (13% und 25% nach Masse). Pyrometerergebnisse zeigen auf, dass die mittlere Temperatur der Russwolke als eine Funktion des Brennstoff-gemisches abfällt mit folgender Reihenfolge: Diesel, Butylal-Diesel 25%, Butylal-Diesel 50%, Wasser-Diesel Emulsion 13% und 25%. Sowohl der KL-Faktor als auch dessen zeitliche Integration zeigen den gleichen Trend auf. Butylal beinhaltet Sauerstoff und weist im Vergleich zum Diesel eine höhere Cetanzahl (CN) auf. Die höhere Konzentration von Sauerstoff im Gemisch ermöglicht eine bessere Russoxidation. Emulsionen beinhalten Wasser, dass die Flammtemperatur herabsetzt und den Zündverzug vergrössert. Der Kühlungseffekt des verdampfenden Wassers hängt vom eingespritzten Wasseranteil im Gemisch ab. Die Tröpfchenverdampfung des Wassers bewirkt eine sekundäre Atomisierung und begünstigt damit die Vermischung von Luft und Brennstoff. Die gewonnenen Ergebnisse werden eingesetzt um derzeitige Modellierungen der Verbrennungsvorgänge in Dieselmotoren im Hinblick auf Russbildung und Oxidationsvorgänge zu erweitern. Die im Rahmen dieses Projektes aufgebaute experimentelle Datenbank wird auch internationalen Partnern zur Verfügung gestellt
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme, ETH Zürich, IET-LAV
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Margari,Ourania-Nektaria
Boulouchos,Konstantinos
Zugehörige Dokumente
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