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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VKA Newsletter, Ausgabe 02/2006<br />
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 />
Copyright © VKA / RWTH AACHEN
VKA Newsletter, Ausgabe 02/2006<br />
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