Beschreibung des Zündverzuges von dieselähnlichen Kraftstoffen im HCCI-Betrieb

Abstract

Homogene selbstzündende Brennverfahren werden schon seit den 70er Jahren im ottomotorischen Bereich untersucht. Durch die zunehmende Verschärfung der Abgasgesetzgebung stehen seit Mitte der 90er Jahre auch verstärkt homogene Brennverfahren mit Dieselkraftstoff (HCCI-Verfahren) im Fokus der Forschung. Das große Interesse begründet sich in einer annähernd verbrauchsneutralen Reduzierung von sowohl Partikel als auch Stickoxid-Emissionen und damit in der innermotorischen Auflösung des Ruß-NOX Trade-Offs. Durch die frühe Einbringung des zündwilligen Kraftstoffs in den Brennraum entfällt der Einspritzzeitpunkt als direkte Kontrollgröße der Verbrennungslage. Der Brennbeginn wird nun durch den Ladungszustand (Druck, Temperatur, Restgasanteil), die Gemischbildung und insbesondere durch die Selbstzündeigenschaften des Kraftstoffs bestimmt. Die traditionelle Charakterisierung der Selbstzündeigenschaften eines Kraftstoffes über die Cetanzahl ist unter homogenen selbstzündenden Bedingungen nicht ausreichend für eine quantitativ befriedigende Beschreibung des Zündverhaltens. Die wichtigste Kenngröße zur Charakterisierung des Selbstzündverhaltens ist der Zündverzug. Insbesondere der Zündverzug der Hauptwärmefreisetzung ist bezüglich der Beschreibung der Verbrennungslage von Interesse. Ziel dieser Arbeit ist deshalb, eine möglichst genaue quantitative Beschreibung des Zündverzuges unter homogenen, selbstzündenden Betriebsbedingung bei Verwendung von dieselähnlichen Kraftstoffen zu erreichen. Grundlage dafür bilden umfassende Untersuchungen mit zehn unterschiedlichen, dieselähnlichen Kraftstoffen auf einem PKW-Einzylindermotor im homogenen und teilhomogenen Betrieb. Dazu wurden je Kraftstoff über 40 Variationen der Abgasrückführrate vermessen, um eine breite Datenbasis für die Beschreibung des Zündverhaltens zu schaffen. Für die homogenen Untersuchungen wurde ein experimenteller Gemischbildner (Atomizer) verwendet. Mit Hilfe dieses Atomizers ist die Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-/Luftgemisches im Saugrohr auch für hochsiedende Kraftstoffe möglich. Der Vergleich des Zündverzuges der Kraftstoffe untereinander bestätigt zwar die Cetanzahl als Maß zur Beschreibung eines qualitativen Trends im homogenen Zündverhalten der Kraftstoffe. Allerdings zeigt sich die Cetanzahl, vor allem im mittleren untersuchten Cetanzahlbereich, nicht in der Lage, das gefundene Zündverhalten quantitativ ausreichend genau zu beschreiben. Durch die Bandbreite der Cetanzahlen in diesem Bereich wird ein Unterschied im Zündverhalten der Kraftstoffe zueinander impliziert, welcher in den motorischen Untersuchungen nicht nachgewiesen werden konnte. Aufgrund dieser beschränkten Aussagekraft der Cetanzahl wurde ein Zündintegral mit einem modifizierten 1-Arrhenius-Ansatz verwendet, um das Zündverhalten unter HCCI-Bedingungen in Abhängigkeit der motorischen Druckhistorie und unter Berücksichtigung der O2-Konzentration zu beschreiben. Die dabei gefundene mittlere Aktivierungsenergie zeigt sich unabhängig vom Betriebspunkt und scheint nur von dem verwendeten Kraftstoff abhängig zu sein. Vorbehaltlich weiterer wichtiger Validierungsuntersuchungen stellt diese „Kennzahl“ damit eine alternative Möglichkeit zur Beschreibung des Selbstzündverhaltens von Kraftstoffen unter homogenen Bedingungen dar. Mit dieser Kennzahl und unter Verwendung der gemessenen Druckverläufe ist eine sehr genaue Berechnung des Zündverzuges unter verschiedenen Betriebsbedingungen möglich. Für eine Vorausberechnung des Zündverzuges unter homogenen Bedingungen, z.B. im Zuge einer Arbeitsprozessrechnung, darf der gefundene Ansatz keine Messwerte als Eingangsgrößen verwenden. Da eine Modellierung auf Basis von einfach zu bestimmenden geschleppten Druckverläufen nicht möglich ist, wurde ein empirisches Verbrennungsmodell erstellt. Damit gelingt es, den Einfluss der Niedertemperaturwärmefreisetzung auf den Zylinderdruck zu erfassen und damit eine tatsächliche Vorausberechnung des Zündverzuges der Hauptwärmefreisetzung zu ermöglichen. Die mit Hilfe einer Arbeitsprozessrechnung, unter Berücksichtigung des Cool Flame Modells, berechenbaren Zylinderdruckverläufe ermöglichen nun in Kombination mit dem entwickelten 1-Arrhenius-Ansatz und dem Zündintegral eine sehr genaue Voraussage des sich ergebenden Zündverzugs unter unterschiedlichen HCCI-Betriebsbedingungen.

Homogeneous self-igniting combustion processes have been studied since the 70s in the field of gasoline engines. Because of the increasingly stringent emissions legislation since the mid-90s homogeneous combustion processes with diesel fuel (HCCI) have gained importance in research as well. The great interest is due to the approximate consumption-neutral internal reduction of both particles and nitrogen oxide emissions and thus the break-up of the soot-NOX trade-off. Due to an early injection of the self-igniting fuel into the combustion chamber the direct control of the combustion phasing by the start of injection is no longer possible. The start of combustion now is solely determined by the charge state (pressure, temperature, residual gas fraction), the mixture formation and in particular by the ignition quality of the fuel. The traditional characterization of the ignitability of a fuel by the cetane number was found to be not sufficient for a satisfactory quantitative description of the ignition quality under homogeneous self-igniting conditions. The most important parameter to characterize the ignition quality is the ignition delay. In order to describe the combustion phasing, the ignition delay of the main heat release is of specific interest. Therefore the scope of this work is an accurate quantitative description of the ignition delay under homogeneous self-igniting operation conditions for diesel-like fuels. The bases are investigations with ten different fuels on a passenger car single-cylinder engine under homogeneous and partial homogeneous conditions. For each fuel over 40 variations of the exhaust gas recirculation were measured to create a broad database for the description of the ignition behavior. The homogenous test-bed investigations were performed with an experimental device for homogeneous mixture formation (atomizer). By the means of the atomizer the creation of a homogeneous fuel-/air mixture inside the intake manifold even with fuels of a high boiling range is possible. The comparison of ignition delay times between the fuels confirms the cetane number as a measure to describe a qualitative trend in the ignition behavior of the fuels. However, the cetane number has shown, particularly in its middle area, to be not sufficient to quantitatively describe the ignition delay accurately enough. The range of cetane numbers in this area implies differences in the ignition behavior of the fuels, which could not be detected in the motor tests. A modified 1-Arrhenius-approach, based on the engines pressure history and the O2 concentration, was utilized to describe the auto-ignition under HCCI conditions to overcome the limitation of the cetane number. The mean activation energy found here appears independent of the operating point and seems to be solely dependent on the fuel. Subject to further validation studies, this "indicator" represents an alternative way to describe the ignition quality of fuels under homogeneous conditions. It is possible to precisely calculate the ignition delay for various operation conditions by means of this characteristic fuel index and by using measured pressure traces. For the prediction of the ignition delay under homogeneous conditions, e.g. in the course of a working process calculation, the approach may not use measured variables as an input. Since modeling based on motored pressure traces is not possible, an empirical combustion model was created. Thereby it is possible to account the influence of the low-temperature heat release (Cool Flame) on the cylinder pressure and thus to allow an actual prediction of the ignition delay of the main heat release. By means of a working process calculation, and taking into account the Cool Flame empiric model, the computed pressure traces in combination with the developed 1-Arrhenius-approach and the ignition integral allow a very accurate prediction of the resulting ignition delay under various HCCI operation conditions.