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Aufladung - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen an der ...

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Ausgabe 02/2006<br />

Newsletter des<br />

<strong>Lehrstuhl</strong>s für<br />

<strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong><br />

Aachen<br />

Forschung & Technik 1 - 5<br />

VKA Intern / Neues vom VKA 5<br />

Events 6<br />

Impressum 6<br />

FORSCHUNG & TECHNIK<br />

<strong>Aufladung</strong><br />

Der <strong>Aufladung</strong> von Verbrennungsmotoren in Personenkraftwagen<br />

kommt eine immer größere Bedeutung zu,<br />

nicht nur für Diesel- son<strong>der</strong>n auch für Ottomotoren. Mit<br />

ottomotorischen Konzepten, die Turboaufladung, Benzindirekteinspritzung<br />

und variable Ventilsteuerzeiten<br />

kombinieren, wird sich dieser Trend noch massiv verstärken.<br />

Daher werden die Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>an</strong> das Aufladekonzept<br />

steigen und neue Technologien in den<br />

Fokus rücken. In <strong>der</strong> Hauptsache sind dies Zusatzaufladung,<br />

wie Abgasturbola<strong>der</strong> (ATL) plus mech<strong>an</strong>ischer<br />

La<strong>der</strong>, zweistufige Turboaufladung o<strong>der</strong> auch elektrisch<br />

unterstützte <strong>Aufladung</strong> (z.B. e-Booster, el. ATL), sowie<br />

Variabilitäten auf <strong>der</strong> Turbinen- (VTG) und <strong>der</strong> Verdichterseite<br />

(VCG). Die VTG ist bei Dieselmotoren bereits<br />

seit Jahren im Serieneinsatz und wird nun auch bei<br />

Ottomotoren eingeführt.<br />

Bei Verwendung von variablen Verdichtergeometrien<br />

wurde bisher Wert darauf gelegt, insbeson<strong>der</strong>e den<br />

Betriebsbereich des Verdichters zu erweitern und dessen<br />

Wirkungsgrad zu verbessern. Derartige Variabilitäten<br />

befinden sich in Nutzfahrzeug- und Großmotoren<strong>an</strong>wendungen<br />

bereits im Serieneinsatz. Die Qu<strong>an</strong>titätsregelung<br />

bei Ottomotoren bietet durch Nutzung <strong>der</strong><br />

Drosselenergie Potenzial zur Steigerung <strong>der</strong> Turbola<strong>der</strong>drehzahl,<br />

um das Ansprechverhalten zu verbessern.<br />

Die Drosselenergie wurde in <strong>der</strong> Verg<strong>an</strong>genheit bereits<br />

sowohl mit Hilfe mech<strong>an</strong>ischer Ladeaggregate als auch<br />

mittels Vordrall bei Verdichtern für Abgasturbola<strong>der</strong><br />

durch Drehzahlsteigerung genutzt.<br />

Motivation<br />

Unter stationären wie auch dynamischen Betriebsbedingungen<br />

besitzen turboaufgeladene Motoren ein nicht<br />

zufrieden stellendes Drehmomentverhalten bei niedrigen<br />

Drehzahlen. Die Gründe sind:<br />

• Im <strong>an</strong>gedrosselten Teillastbereich ist <strong>der</strong> Luftmassenstrom<br />

eines Ottomotors sehr klein, Dieselmotoren<br />

haben aufgrund <strong>der</strong> mageren Verbrennung im<br />

unteren Lastbereich tendenziell niedrige Abgastemperaturen.<br />

• Verdichter und Turbine laufen unter <strong>der</strong>artigen<br />

R<strong>an</strong>dbedingungen mit ungünstigen Wirkungsgraden<br />

• Das Massenträgheitsmoment des Turbola<strong>der</strong>s führt<br />

zur Verzögerung im Ansprechverhalten.<br />

• Bei niedrigen Drehzahlen <strong>an</strong> <strong>der</strong> Volllast wird <strong>der</strong><br />

Verdichter nah <strong>an</strong> seiner Pumpgrenze betrieben.<br />

• Einen kleinen Beitrag haben das Volumen zwischen<br />

Verdichter und Motor und Motor und Turbine sowie<br />

die Wärmeverluste auf <strong>der</strong> Turbinenseite.<br />

An<strong>der</strong>e Begrenzungen des Turbola<strong>der</strong>s nehmen eher<br />

bei höherer Motordrehzahl einen Einfluss auf das Motorbetriebsverhalten,<br />

wie die Maximaldrehzahl des La<strong>der</strong>s<br />

und die Stopfgrenze.<br />

Abbildung 1: TurboThrottle:<br />

Konzept und Prototyp<br />

Vorleitapparat<br />

Die im Verdichter umgesetzte Arbeit ist nach <strong>der</strong> Euler´schen<br />

Turbomaschinenhauptgleichung:<br />

P<br />

≡ a = Δh<br />

m&<br />

t<br />

= u<br />

2<br />

⋅ c<br />

u2<br />

− u ⋅ c<br />

1<br />

u1<br />

(1)<br />

Bei drallfreier Zuströmung wird c u1 zu Null und die Arbeitsaufnahme<br />

im Verdichterlaufrad wird nach Gleichung<br />

(1) maximal. Die Größe <strong>der</strong> Umf<strong>an</strong>gskomponente<br />

<strong>der</strong> Strömung c u1 hat somit direkten Einfluss auf die zu<br />

leistende Arbeit am Verdichter. Wird nun am Eintritt in<br />

den Verdichter eine Leitvorrichtung <strong>an</strong>gebracht, so<br />

k<strong>an</strong>n dem Fluid vor Eintritt in das Laufrad ein Vordrall<br />

aufgeprägt werden. Je nach dessen Richtung (Abbildung<br />

2) k<strong>an</strong>n dieser die Arbeit des Verdichters vergrößern<br />

o<strong>der</strong> verringern. Positiver Drall sei <strong>an</strong> dieser Stelle<br />

in Drehrichtung des Laufzeugs definiert.<br />

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VKA Newsletter, Ausgabe 02/2006<br />

2<br />

Der Einsatz des Vorleitapparates soll hier durch eine<br />

Nutzung des resultierenden Impulses im Verdichterlaufrad<br />

zur Erhöhung <strong>der</strong> Turbola<strong>der</strong>drehzahl genutzt werden.<br />

Die aus <strong>der</strong> geän<strong>der</strong>ten Anströmung des Verdichters<br />

resultierende Drehzahlerhöhung des Laufzeugs hat<br />

auch Einfluss auf die Turbinenseite des ATL.<br />

Die Leistungsbil<strong>an</strong>z für eine Beschleunigung des Laufzeugs<br />

ist:<br />

dn<br />

Turboch arg er<br />

dt<br />

PTurbine<br />

− PCh arger<br />

− Ploss<br />

= (2)<br />

2<br />

4π<br />

⋅ J ⋅ n<br />

Turboch arger<br />

Turboch arger<br />

Das Beschleunigungsverhalten k<strong>an</strong>n also einerseits<br />

durch Einflussnahme auf die Energiebil<strong>an</strong>z verbessert<br />

werden. Als <strong>an</strong><strong>der</strong>e Maßnahme ist auch eine Erhöhung<br />

<strong>der</strong> La<strong>der</strong>drehzahl im Teillastbetrieb vorteilhaft. Durch<br />

den geringeren Drehzahlunterschied zwischen Teillast<br />

und Volllast nimmt d<strong>an</strong>n die zur Beschleunigung nötige<br />

Energie ab. Des Weiteren k<strong>an</strong>n die Schnelllaufzahl u/c 0<br />

erhöht werden, so dass die Turbine in einem günstigeren<br />

Wirkungsgradbereich betrieben werden k<strong>an</strong>n.<br />

Abbildung 2: Geschwindigkeitsdreiecke am<br />

Verdichtereintritt<br />

In Abbildung 3 ist exemplarisch ein Teillastbetriebsbereich<br />

ohne Verwendung eines Drallerzeugers in ein<br />

typisches Turbinendiagramm eingezeichnet, aufgetragen<br />

ist <strong>der</strong> Wirkungsgrad über <strong>der</strong> Schnelllaufzahl für<br />

verschiedene La<strong>der</strong>drehzahlen.<br />

η T *η m [-]<br />

w/o swirl<br />

c1/u2<br />

=<br />

cm1/u2<br />

1.0<br />

0.8<br />

0.6<br />

0.4<br />

0.2<br />

α1<br />

negative swirl<br />

cu1/u2<br />

α1<br />

u1/u2<br />

w1/u2<br />

w1/u2<br />

u1/u2<br />

Typical part load<br />

operating area<br />

β1<br />

β1<br />

positive swirl<br />

0.0<br />

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2<br />

u/c 0 [-]<br />

cu1/u2<br />

u1/u2<br />

w1/u2<br />

TC speed increasing<br />

Abbildung 3: Turbinendiagramm (exemplarisch)<br />

Um einen schnellen Ladedruckaufbau zu realisieren,<br />

sollte die Turbine auch im Teillastbetrieb mit bestem<br />

α1<br />

n<br />

β1<br />

Wirkungsgrad arbeiten. Dies k<strong>an</strong>n dadurch erreicht<br />

werden, dass die La<strong>der</strong>drehzahl bei sonst konst<strong>an</strong>ten<br />

R<strong>an</strong>dbedingungen erhöht wird. Wird allerdings die<br />

Drehzahl zu deutlich gesteigert, sinkt <strong>der</strong> Wirkungsgrad<br />

wie<strong>der</strong>.<br />

Aus Erkenntnissen vor<strong>an</strong>geg<strong>an</strong>gener Grundsatzuntersuchungen<br />

wurden verschiedene Systeme zur Verdichtervordrall-Regelung<br />

entwickelt und untersucht. Ein Beispiel<br />

zeigt Abbildung 1. Es wird eine betriebspunktabhängig<br />

drallbehaftete Strömung erzeugt. Gleichzeitig<br />

besteht die Möglichkeit, die für Ottomotoren typische<br />

Qu<strong>an</strong>titätsregelung darzustellen. Daher wurde <strong>der</strong> Verdichter-Vordrallapparat<br />

TurboThrottle gen<strong>an</strong>nt.<br />

Die Konstruktion besteht aus mehreren Klappensegmenten,<br />

welche geometrisch gleich sind. Diese werden<br />

in einem Rohr vor dem Verdichter installiert. In <strong>der</strong><br />

Drehebene <strong>der</strong> Klappen befindet sich ein Kugelabschnitt.<br />

Beim Öffnen <strong>der</strong> Klappen bewegen sich die<br />

Segmente somit bis zu einem bestimmten Winkel in<br />

dem Abschnitt. Die Segmente sind so ausgeführt, dass<br />

sie sich hinterschneiden. Beim Öffnen ergibt sich aus<br />

dem Hinterschnitt und <strong>der</strong> Kugelform auf dem Umf<strong>an</strong>g<br />

jeweils ein Strömungsk<strong>an</strong>al mit Umlenkung in t<strong>an</strong>gentialer<br />

Richtung.<br />

Um auch kleine Massenströme bei hoher Drosselung<br />

einstellen zu können ist, wie bei einer konventionellen<br />

Drosselklappe, die Dichtheit des Drallerzeugers eine<br />

wesentliche Anfor<strong>der</strong>ung. Außerdem muss das System<br />

zur Darstellung kurzer Verstellzeiten und passabler<br />

Aktuatorgröße eine geringe Reibung aufweisen.<br />

Die Klappensegmente können unabhängig vonein<strong>an</strong><strong>der</strong><br />

in einem Bereich von 0 ° bis 120 ° (0 ° = geschlossen)<br />

geöffnet werden. Bei Öffnung über 90 ° hinaus k<strong>an</strong>n<br />

somit auch ein Gegendrall erzeugt werden.<br />

Im Einzelnen bietet die TurboThrottle folgende Funktionen:<br />

• Erzeugung eines Mitdralls, Drallrichtung gleich<br />

Drehrichtung des Laufzeugs<br />

zur Erhöhung <strong>der</strong> La<strong>der</strong>drehzahl im <strong>an</strong>gedrosselten<br />

Betriebsbereich des Motors<br />

zur Steigerung des Ladedrucks im ungeregelten<br />

Betriebsbereich, Low-End-Torque<br />

Erweiterung <strong>der</strong> Pumpgrenze<br />

• Erzeugung eines Gegendralls<br />

Erweiterung <strong>der</strong> Stopfgrenze durch eine bessere<br />

Ausnutzung des geometrischen Querschnitts<br />

• Entfall Umluftventil<br />

Durch Regelung am Verdichtereintritt k<strong>an</strong>n Pumpen<br />

nicht auftreten<br />

• Gleichrichtung <strong>der</strong> Strömung vor Verdichter<br />

• Regelung des Luftmassenstroms<br />

Funktionserprobung<br />

Der Prototyp wurde zur Funktionserprobung <strong>an</strong> einem<br />

2.0 l Ottomotor mit Direkteinspritzung und Wastegate<br />

Turbola<strong>der</strong> eingesetzt. Die Untersuchungen wurden <strong>an</strong><br />

einem für thermodynamische Messungen ausgelegen<br />

Motorenprüfst<strong>an</strong>d durchgeführt.<br />

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VKA Newsletter, Ausgabe 02/2006<br />

Motorversuch<br />

Abbildung 4 zeigt Ergebnisse vom Motorenprüfst<strong>an</strong>d in<br />

einem Lastschnitt bei einer Motordrehzahl von<br />

1500 min -1 . Die Last wurde dabei zwischen 2 und 12<br />

bar effektiven Mitteldruck variiert. Die Grundkonfiguration<br />

des Versuchsaufbaus ist ohne Drall am Verdichtereintritt<br />

und mit Drosselklappen<strong>an</strong>ordnung nach Verdichter.<br />

Es ist zu erkennen, dass über den gesamten Lastbereich<br />

eine signifik<strong>an</strong>te Erhöhung <strong>der</strong> Turbola<strong>der</strong>drehzahl<br />

dargestellt werden k<strong>an</strong>n. Im niedrigen Lastpunkt,<br />

p me = 2 bar, wird eine Steigerung von ca. 88 % erzielt<br />

und bei p me = 10 bar noch etwa 40 %.<br />

1400<br />

1200<br />

1000<br />

800<br />

600<br />

400<br />

200<br />

0.6<br />

0.4<br />

0.2<br />

pressure upstream<br />

compressor / mbar<br />

1.0<br />

u/c 0<br />

/ -<br />

0.8<br />

n = 1500 rpm<br />

w/o swirl<br />

with swirl<br />

0.0<br />

0 2 4 6 8 10 12 14<br />

BMEP [bar]<br />

1.5 pressure ratio compressor / -<br />

1.4<br />

Abbildung 4: Lastschnitt @ n = 1500 1/min<br />

1.3<br />

1.2<br />

1.1<br />

1.0<br />

0.9<br />

120<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

turbine speed / 1000 rpm<br />

0<br />

0 2 4 6 8 10 12 14<br />

BMEP [ bar ]<br />

Hierfür sind im Wesentlichen zwei Effekte ver<strong>an</strong>twortlich.<br />

Einerseits wird dem Laufrad des Verdichters durch<br />

die drallbehaftete Anströmung Energie zugeführt, so<br />

dass die geleistete Arbeit sinkt. An<strong>der</strong>erseits wird durch<br />

die höhere Drehzahl die Schnelllaufzahl u/c 0 größer.<br />

Diese sollte etwa 0.7 sein, damit <strong>der</strong> Arbeitspunkt <strong>der</strong><br />

Turbine im optimalen Wirkungsgradbereich liegt. Als<br />

Folge wird also auch von <strong>der</strong> Turbinenseite eine größere<br />

Leistung bereitgestellt.<br />

Mit einem leichten Drall in Drehrichtung des Laufzeugs,<br />

aber nahezu ohne <strong>an</strong>zudrosseln, konnte bei dieser Motordrehzahl<br />

ein um ca. 4 % höheres Volllastdrehmoment<br />

dargestellt werden.<br />

Eine Betrachtung im Verdichterkennfeld zeigt Abbildung<br />

5. Eingezeichnet sind wie<strong>der</strong> die beiden Lastschnitte<br />

bei 1500 min -1 mit und ohne Drall. Es ist zu<br />

erkennen, dass mit TurboThrottle die Betriebslinie nach<br />

rechts zu höherem Volumenstrom verschoben wird.<br />

Dies ist durch die Drosselung am Verdichtereintritt bedingt.<br />

Eingezeichnet ist eine Linie konst<strong>an</strong>ter La<strong>der</strong>drehzahl<br />

bei Volllast ohne Drall und als Vergleich dieselbe<br />

Isotache für einen Betriebspunkt mit Drall.<br />

Wird nun also <strong>der</strong> Verbrennungsmotor mittels TurboThrottle<br />

im unteren Lastpunkt betrieben und damit<br />

die Turbola<strong>der</strong>drehzahl auf höherem Niveau gehalten,<br />

so muss bei einer Last<strong>an</strong>for<strong>der</strong>ung das Laufzeug des<br />

Turbola<strong>der</strong>s nicht so stark beschleunigt werden. Der<br />

Ladedruck wird somit schneller bereitgestellt.<br />

Zur Bewertung des Einflusses <strong>der</strong> TurboThrottle im<br />

tr<strong>an</strong>sienten Motorbetrieb wurden Lastsprünge durchgeführt.<br />

Der Motor wurde dabei mit konventionellen Steuerzeiten<br />

und ohne spülenden Ladungswechsel betrieben.<br />

pressure ratio / -<br />

1.9<br />

1.8<br />

1.7<br />

1.6<br />

1.5<br />

1.4<br />

1.3<br />

1.2<br />

1.1<br />

1.0<br />

0.9<br />

Load sweep @ 1500 rpm<br />

w/o swirl<br />

w/ swirl<br />

equal BMEP<br />

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08<br />

corr. volume flow rate / (m 3 /s)<br />

Abbildung 5: Verdichterkennfeld<br />

Abbildung 6 zeigt einen solchen Versuch bei 2000 min -1<br />

aus niedriger Last, p mi = 2.8 bar, auf Volllast, p mi =<br />

18 bar. Im Startpunkt des Lastsprungs (Zeitpunkt 0 s)<br />

wird mit Drallerzeuger etwa eine Verdoppelung <strong>der</strong><br />

Turbola<strong>der</strong>drehzahl erreicht. Nach <strong>der</strong> Last<strong>an</strong>for<strong>der</strong>ung<br />

benötigen beide Vari<strong>an</strong>ten knapp 0.2 s bis zum Erreichen<br />

<strong>der</strong> Saugvolllast. Es ist zu erkennen, dass die Vari<strong>an</strong>te<br />

mit Drall hier bereits einen höheren Ladedruck<br />

von etwa 80 mbar erzielen konnte. Dies bedeutet, dass<br />

dem Motor <strong>der</strong> Luftmassenstrom schneller bereitgestellt<br />

wird. Der Turbine steht somit früher mehr Energie zur<br />

Verfügung, was wie<strong>der</strong>um den Ladedruckaufbau begünstigt.<br />

140 turbine speed / 1000 rpm<br />

120<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

2000<br />

1800<br />

m<strong>an</strong>ifold air pressure / mbar<br />

1600<br />

1400<br />

1200<br />

1000<br />

800<br />

-0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6<br />

time / s<br />

Abbildung 6: Lastsprung @ n = 2000 1/min<br />

Die Verlagerung <strong>der</strong> Drosselstelle nach ‚vor Verdichter’<br />

erweist sich bei den hier gezeigten Untersuchungen<br />

nicht als nachteilig. Das Volumen <strong>der</strong> Druckleitungen<br />

sollte dennoch möglichst klein gehalten werden, um die<br />

Regelbarkeit des Systems zu gewährleisten.<br />

Als ein neuer, wichtiger Freiheitsgrad ergibt sich <strong>der</strong><br />

Öffnungswinkel <strong>der</strong> Drallklappe. Im ungedrosselten<br />

Betrieb können verschiedene Drallwinkel eingestellt und<br />

somit <strong>der</strong> Ladedruckaufbau beeinflusst werden.<br />

Dipl.-Ing. Michael Wittler<br />

Tel.: +49 (0) 2 41/80-9 53 50<br />

Fax: +49 (0) 2 41/80-9 26 30<br />

wittler@vka.rwth-aachen.de<br />

const. TC speed<br />

20<br />

18<br />

16<br />

14<br />

12<br />

10<br />

8<br />

low swirl <strong>an</strong>gle<br />

increased FL (4% BMEP)<br />

engine speed = 2000 rpm<br />

no scavenging gas exch<strong>an</strong>ge<br />

IMEP / bar<br />

w/o swirl<br />

w/ swirl<br />

n TC = const.<br />

-0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6<br />

time / s<br />

3<br />

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4<br />

Diesel Kaltstart<br />

In <strong>der</strong> Entwicklung von Dieselmotoren zeigt sich zum<br />

einen ein Trend zu immer höheren spezifischen Leistungen,<br />

zum <strong>an</strong><strong>der</strong>en stellt die Abgasgesetzgebung für<br />

Dieselmotoren eine steigende technische Herausfor<strong>der</strong>ung<br />

dar.<br />

Die Absenkung des Verdichtungsverhältnisses ε ist eine<br />

Maßnahme, durch die sowohl eine Steigerung <strong>der</strong> Literleistung<br />

als auch eine Emissionsreduzierung möglich<br />

wird. Aktuell werden Dieselmotoren mit einem Verdichtungsverhältnis<br />

von 15 bis 16 : 1 in Serie gefertigt.<br />

Noch vor wenigen Jahren war ein Verdichtungsverhältnis<br />

von 18 : 1 St<strong>an</strong>d <strong>der</strong> Technik.<br />

Eine Absenkung des Verdichtungsverhältnisses beeinträchtigt<br />

allerdings die Kaltstarteigenschaften. Ein Dieselmotor<br />

muss, je nach Hersteller<strong>an</strong>for<strong>der</strong>ung, bei einer<br />

Temperatur bis zu -25 °C sicher <strong>an</strong>springen. In Abbildung<br />

1 ist <strong>der</strong> Vergleich von zwei Kaltstartversuchen bei<br />

-27 °C dargestellt. Der Motor mit einem Verdichtungsverhältnis<br />

von 18 erreicht nach ca. 6 s einen stabilen<br />

Leerlauf, <strong>der</strong> Motor mit einem Verdichtungsverhältnis<br />

von 16 erst nach ca. 14 s.<br />

Drehzahl [min -1 ]<br />

1600<br />

1200<br />

800<br />

400<br />

T Start = -27°C<br />

ε = 18<br />

ε = 16<br />

0<br />

-5 0 5 10 15<br />

Zeit [s]<br />

Abbildung 1: Einfluss Verdichtungsverhältnis auf<br />

das Startverhalten<br />

Es gibt bisher keine detaillierten Erkenntnisse bzgl. <strong>der</strong><br />

Zusammenhänge für die Darstellung eines sicheren<br />

Dieselkaltstarts.<br />

St<strong>an</strong>d <strong>der</strong> Technik für Kaltstartapplikationen ist es, experimentell<br />

und auf Basis vorh<strong>an</strong>dener Kalibrierungen,<br />

im Fahrzeug eine Kaltstartkalibrierung zu erstellen, die<br />

den Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>an</strong> Startzeit und Rauchemissionen<br />

gerecht wird.<br />

Zur Unterstützung des Kaltstarts beim Pkw-Dieselmotor<br />

werden Glühsysteme eingesetzt. Je<strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong> verfügt<br />

über eine Glühkerze, die beim Startvorg<strong>an</strong>g eine hohe<br />

Oberflächentemperatur von ca. 900 °C aufweist. Die<br />

Temperatur <strong>der</strong> Glühkerze hat einen deutlichen Einfluss<br />

auf die Startzeit des Motors, wie in Abbildung 2 dargestellt<br />

ist.<br />

Eine Erhöhung <strong>der</strong> Temperatur um ca. 300 °C hat eine<br />

Verringerung <strong>der</strong> Startzeit von 4 s auf 2 s zur Folge.<br />

Deshalb geht <strong>der</strong> Trend in <strong>der</strong> Glühkerzenentwicklung<br />

zu Hochtemperaturkerzen aus Keramik, die eine Glühtemperatur<br />

von etwa 1100 °C ermöglichen.<br />

HC Konzentration [ppm]<br />

800<br />

600<br />

400<br />

200<br />

2746 ppm 30 s<br />

Ohne Starthilfe<br />

Starttemperatur: -20°C<br />

0<br />

0<br />

1000 1100<br />

1200<br />

1300 1400 1500<br />

Temperatur Glühkerze [K]<br />

Abbildung 2: Einfluss Glühtemperatur auf<br />

Startzeit<br />

Modellbrennkammeruntersuchung<br />

Am <strong>Lehrstuhl</strong> für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong> werden<br />

im Rahmen eines durch die AIF geför<strong>der</strong>ten Forschungsprojekts<br />

Grundlagenuntersuchen zur Entflammung<br />

von Dieselkraftstoff bei tiefen Temperaturen<br />

durchgeführt.<br />

Ohne Starthilfe<br />

8<br />

6<br />

4<br />

2<br />

Startzeit [s]<br />

Abbildung 3: Zyklische Schw<strong>an</strong>kungen bei <strong>der</strong> Entflammung mittels Glühkerze (-7 °C)<br />

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Dazu wurden zunächst die thermodynamischen R<strong>an</strong>dbedingungen<br />

<strong>an</strong>h<strong>an</strong>d von Kaltstartversuchen <strong>an</strong> einem<br />

Serienmotor untersucht. Diese Ergebnisse führen zu<br />

einer ersten Auswertungsmatrix mit verschiedenen<br />

Gastemperatur-, Gasdruck- und Geometrievariationen.<br />

Die Messungen, die mit Hilfe <strong>der</strong> Schatten-Schlieren-<br />

Messtechnik aufgenommen werden, zeigen die Ausbreitung<br />

des Einspritzstrahls sowie den Fortschritt <strong>der</strong><br />

Verbrennung. Aufnahmen von vier Zyklen sind in Abbildung<br />

3 gezeigt. Um sämtliche Variationen durch einheitliche<br />

Kenngrößen beschreiben zu können, sind in<br />

Zusammenarbeit mit den beteiligten Industriepartnern<br />

drei integrale Werte festgelegt worden: die mittlere<br />

Flammenfläche A, <strong>der</strong> Zeitpunkt τ, zu dem die kumulierte<br />

Flammenfläche gerade den halben Endwert erreicht<br />

und die Schw<strong>an</strong>kungsbreite <strong>der</strong> Flammenfläche σ.<br />

Durch vergleichende Auswertung dieser drei Kenngrößen<br />

können folgende Aussagen getroffen werden:<br />

• Die Auswertung des Rußeigenleuchtens bei Variation<br />

<strong>der</strong> Kraftstoffmenge zeigt, dass kleine Mengen<br />

zwar schneller umsetzen, jedoch beim Flammenfortschritt<br />

eine deutlich größere Streubreite aufweisen<br />

als große Kraftstoffmengen, was auf Entflammungsprobleme<br />

hinweist.<br />

• Bei Glühkerzenvorstehmaßen von 4,7 mm und<br />

6,3 mm sowie geeigneten Verdrehwinkeln des Injektors<br />

existiert bei l<strong>an</strong>gen Ansteuerzeiten und damit<br />

großen Kraftstoffmengen eine Position, bei <strong>der</strong><br />

die Glühkerze t<strong>an</strong>gential <strong>an</strong>gespritzt wird. Es bildet<br />

sich in Folge ein Flammenkern <strong>an</strong> <strong>der</strong> Glühkerze,<br />

<strong>der</strong> erst d<strong>an</strong>n einen Flammenfortschritt ermöglicht,<br />

wenn die Düsennadel schließt.<br />

• Bei einem Vorstehmaß von nur 3,0 mm k<strong>an</strong>n unter<br />

den gegebenen R<strong>an</strong>dbedingungen <strong>der</strong> Kammeruntersuchung<br />

kein reproduzierbares Entflammungsverhalten<br />

sichergestellt werden.<br />

• Bei mo<strong>der</strong>atem Abst<strong>an</strong>d von Glühkerze zur Düse<br />

überwiegt <strong>der</strong> Effekt <strong>der</strong> mit steigen<strong>der</strong> Gastemperatur<br />

verbesserten Kraftstoffverdampfung, und es<br />

stellt sich mit steigen<strong>der</strong> Gastemperatur eine<br />

schnellere und umfassen<strong>der</strong>e Entflammung ein.<br />

• Bei großem Abst<strong>an</strong>d von Düse zu Glühkerze dominiert<br />

<strong>der</strong> Einfluss <strong>der</strong> Gasdichte das Entflammungsverhalten.<br />

Geringere Gastemperaturen haben bei<br />

konst<strong>an</strong>tem Druck eine Erhöhung <strong>der</strong> Gasdichte zur<br />

Folge, was wie<strong>der</strong>um eine Aufspreizung des Strahlkegels<br />

bewirkt. Bei diesen geometrischen R<strong>an</strong>dbedingungen<br />

gel<strong>an</strong>gt hierdurch mehr Kraftstoff zur<br />

Glühkerze, was eine verbesserte Entflammung zur<br />

Folge hat.<br />

• Eine geteilte Einspritzung im Vergleich zur Blockeinspritzung<br />

hat gezeigt, dass diese teilweise zu einer<br />

verbesserten Entflammung führt.<br />

Im Rahmen des Projekts werden zurzeit weitere Grundlagenexperimente<br />

<strong>an</strong> einem optischen 1-Zylin<strong>der</strong> Versuchsträger<br />

durchgeführt.<br />

Kaltstartversuche am Vollmotor<br />

Weiterführende Untersuchungen werden am Vollmotor<br />

durchgeführt, um Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben<br />

in <strong>der</strong> Kaltstartapplikation <strong>an</strong>zuwenden. Dafür<br />

steht ein mo<strong>der</strong>ner 4-Zylin<strong>der</strong> Vollmotor mit Common-<br />

Rail Einspritzsystem zur Verfügung, <strong>der</strong> mit verschiedenen<br />

Kolbensätzen im Verdichtungsverhältnis verän<strong>der</strong>t<br />

werden k<strong>an</strong>n. Der Motor wird in einer Kältekammer<br />

betrieben, siehe Abbildung 4. Die Kältekammer bietet<br />

die Möglichkeit, den Motor bis auf ca. -25 °C abzukühlen.<br />

In <strong>der</strong> Kältekammer können sowohl Motoren separat<br />

als auch im Fahrzeug getestet werden.<br />

Möglichkeiten zu Fahrzeuguntersuchungen bietet zusätzlich<br />

<strong>der</strong> klimatisierte Abgasrollenprüfst<strong>an</strong>d des <strong>Lehrstuhl</strong>s,<br />

<strong>der</strong> Tests bei bis zu -30 °C erlaubt.<br />

Abbildung 4: Versuchsträger in <strong>der</strong> Kältekammer<br />

(Vollmotor)<br />

Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte <strong>an</strong><br />

Dipl.-Ing. Michael Rottm<strong>an</strong>n<br />

Dipl.-Ing. Markus Graf<br />

Tel.: +49 (0) 2 41/80-9 62 17<br />

Fax: +49 (0) 2 41/80-9 26 30<br />

rottm<strong>an</strong>n@vka.rwth-aachen.de<br />

graf_m@vka.rwth-aachen.de<br />

Neues vom VKA<br />

Lehre / Vorlesungen<br />

Die Zahl <strong>der</strong> Neueinschreibungen im Maschinenbau <strong>an</strong><br />

<strong>der</strong> RWTH Aachen zum Wintersemester 2006/07 beträgt<br />

1.274. Die Gesamtzahl <strong>der</strong> eingeschriebenen Studenten<br />

stieg damit um 7 % auf nunmehr 6643.<br />

In dem zum WS 2001/02 erstmalig <strong>an</strong>gebotenen Masterprogramm<br />

„Energy Engineering“ sind <strong>der</strong>zeit 26 Studierende<br />

aus 17 verschiedenen Nationen eingeschrieben.<br />

Bereits 10 Studierende haben den Abschluss MSc.<br />

„Energy Engineering“ erl<strong>an</strong>gt.<br />

Im Zuge <strong>der</strong> Privatisierung <strong>der</strong> Masterstudiengänge ist<br />

<strong>der</strong> fe<strong>der</strong>führend vom VKA betreute Studieng<strong>an</strong>g<br />

„Energy Engineering“ in „Combustion Engines“ umben<strong>an</strong>nt<br />

worden, womit <strong>der</strong> Fokus des Programms deutlicher<br />

hervorgehoben werden soll.<br />

Weitere Informationen zu den Masterstudiengängen<br />

5<br />

Copyright © VKA / RWTH AACHEN


VKA Newsletter, Ausgabe 02/2006<br />

6<br />

finden Sie unter:<br />

http://www.master-combustion-engines.com/<br />

Informationen zu Lehrver<strong>an</strong>staltungen finden Sie unter:<br />

www.vka.rwth-aachen.de/<br />

Broschüre „Im Blickpunkt“<br />

In Zusammenarbeit mit dem Alpha-Verlag hat <strong>der</strong> <strong>Lehrstuhl</strong><br />

für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong> im Oktober diesen<br />

Jahres die Broschüre „Deutschl<strong>an</strong>ds Elite-Institute –<br />

<strong>Lehrstuhl</strong> für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong>“ veröffentlicht.<br />

Neben Informationen rund um den <strong>Lehrstuhl</strong> stehen<br />

ausführliche Berichte zu aktuellen Forschungsarbeiten<br />

im Mittelpunkt. Die Broschüre können Sie <strong>an</strong>for<strong>der</strong>n<br />

unter: hamm@vka.rwth-aachen.de.<br />

Son<strong>der</strong>forschungsbereich 686<br />

Im Sommer 2006 wurde <strong>der</strong> SFB 686 „Modellbasierte<br />

Regelung <strong>der</strong> homogenisierten Nie<strong>der</strong>temperaturverbrennung“,<br />

koordiniert durch Prof. Norbert Peters,<br />

unter Beteiligung des VKA gestartet. Das VKA befasst<br />

sich in diesem SFB mit modellbasierten Regelungsstrategien<br />

für die Anwendung des kontrollierten Selbstzündungsbetriebs<br />

(Controlled-Auto-Ignition), was grundlegende<br />

Forschungsarbeiten zum Verständnis <strong>der</strong> innermotorischen<br />

Vorgänge erfor<strong>der</strong>t.<br />

Exzellenzcluster<br />

„Tailor-made Fuels from Biomass“<br />

Unter Fe<strong>der</strong>führung des VKA beteiligt sich die RWTH<br />

Aachen in <strong>der</strong> zweiten Runde <strong>der</strong> Exzellenzinitiative mit<br />

dem Antrag „Tailor-made Fuels from Biomass“. Vision<br />

ist es, auf <strong>der</strong> Grundlage von interdisziplinärer Zusammenarbeit<br />

<strong>der</strong> Chemie, <strong>der</strong> Verfahrenstechnik und <strong>der</strong><br />

Motorentechnik, neue katalytische Verfahren zur effizienten<br />

Erzeugung von Kraftstoffen auf Biomassebasis<br />

zu entwickeln. Dabei wird die Möglichkeit einer gezielten<br />

Einstellung von, durch grundlegende Motorenforschung,<br />

definierten Kraftstoffeigenschaften genutzt.<br />

Combustion Center Aachen (CCA)<br />

Zur För<strong>der</strong>ung von exzellenter Grundlagenforschung,<br />

Lehre und für einen intensivierten wissenschaftlichen<br />

Austausch auf dem Gebiet technischer Verbrennungsvorgänge<br />

ist in diesem Jahr das Combustion Center<br />

Aachen unter Leitung von Prof. N. Peters und Prof. S.<br />

Pischinger gegründet worden. In Pl<strong>an</strong>ung ist das „1.<br />

International Symposium on Future Fuels <strong>an</strong>d<br />

Combustion“.<br />

Nachruf<br />

Am 29.04.2006 verstarb im Alter von 62 Jahren unser<br />

ehemaliger, l<strong>an</strong>gjähriger Kollege Peter „Pit“ Flücken.<br />

Herr Peter Flücken war von 1974 bis 2003 am <strong>Lehrstuhl</strong><br />

in verschiedenen ver<strong>an</strong>twortungsvollen Positionen tätig.<br />

Er wird uns als stets pflichtbewusster und höchst engagierter<br />

Kollege in Erinnerung bleiben, ohne den <strong>der</strong><br />

<strong>Lehrstuhl</strong> heute nicht das wäre was er ist.<br />

EVENTS<br />

Motortechnisches Seminar<br />

Wintersemester 2006/07<br />

Montag, 30. Oktober 2006; 18:00 Uhr<br />

Dr.-Ing. Ekkehard Pott<br />

Leiter Vorentwicklung Ottomotoren<br />

Volkswagen AG, Wolfsburg<br />

„Maßnahmen zur nachhaltigen CO 2 -Min<strong>der</strong>ung bei<br />

Volkswagen“<br />

Montag, 13. November 2006; 18:00 Uhr<br />

Dr.-Ing. M<strong>an</strong>fred Klüting<br />

Hauptabteilungsleiter Fachstrategie, Vorentwicklung<br />

Antrieb<br />

BMW Group, München<br />

„Motorkonzepte mit <strong>Aufladung</strong> und Direkteinspritzung –<br />

zentraler Baustein <strong>der</strong> effizienten Dynamik“<br />

Montag, 11. Dezember 2006; 18:00 Uhr<br />

Dipl.-Ing. Richard Bau<strong>der</strong><br />

Leiter Dieselmotorenentwicklung<br />

Audi AG, Neckarsulm<br />

„Die TDI-Technologie bei Audi“<br />

Montag, 05. Februar 2007; 18:00 Uhr<br />

Dipl.-Ing. Christi<strong>an</strong> En<strong>der</strong>le<br />

Centerleiter Entwicklung Pkw/Applikation Powertrain<br />

DaimlerChrysler AG, Sindelfingen<br />

„Mit Hilfe mo<strong>der</strong>ner Entwicklungsmethodik zum markentypischen<br />

Powertrain“<br />

Die Vorträge finden im Kármán-Auditorium, Forum 5,<br />

Eilfschornsteinstraße 15 in Aachen statt.<br />

Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Anmeldung ist nicht<br />

erfor<strong>der</strong>lich. Aktuelle Informationen finden Sie auf <strong>der</strong><br />

VKA-Website im Bereich Aktuelles/Ver<strong>an</strong>staltungen:<br />

www.vka.rwth-aachen.de/<br />

Impressum:<br />

<strong>Lehrstuhl</strong> für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong><br />

VKA - RWTH Aachen<br />

Schinkelstraße 8<br />

52062 Aachen<br />

Redaktion:<br />

Dipl.-Ing. Fabi<strong>an</strong> Fricke<br />

Tel.: +49 (0) 2 41/80-9 53 70<br />

Fax: +49 (0) 2 41/80-9 26 30<br />

fricke@vka.rwth-aachen.de<br />

Birgit Schaefer-Hamm<br />

Tel.: +49 (0) 2 41/80-9 53 59<br />

Fax: +49 (0) 2 41/80-9 26 68<br />

hamm@vka.rwth-aachen.de<br />

Fotos: Waltraud Hostettler<br />

Design: Winfried Falkenau<br />

Copyright © VKA / RWTH AACHEN

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