7.1 Vergleich von Bauteilmerkmalen mit konstanten Brennraumabweichungen
7.1.4 Vergleich der Klopfgrenze bei konstanten Brennraumabweichungen
Zylinder 1 Zylinder 2 Zylinder 3 Zylinder 4 Referenzbauteil Bauteil 12 Bauteil 13
COV pmi
0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1
COV pmax
3.5 5.0 6.5 8.0 9.5 11.0
Position EV öffnet [°KW]
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
Abbildung 7-87:Einlasssteuerzeitenvariation bei konstanter Ventilüberschneidung, Vergleich der Brenn-raummerkmale BR-Vol
7.1.4 Vergleich der Klopfgrenze bei konstanten
Einlassventi-le, Brennraumform und Kolbenform) bestimmt, sodass keine Manipulation zur Klopfverhinde-rung möglich ist. Die Gemischbildungssimulation in Kapitel 2.1 zeigt, dass durch eine ε-Erhö-hung eine weitere Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches erreicht werden kann. Die sich daraus ergebenden Auswirkungen können aus den hier durchgeführten Zündhakenkurven abgeleitet werden.
Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die Kurven zur Bestimmung der Klopfgrenze für die IO-bewerteten Versuchsteile #02 und #03, wobei #02 eine leichte ε-Verringerung und #03 eine leichte ε-Erhöhung aufweist. Gezeigt sind Betriebspunkte in der mittleren Last bei 2000 min-1 und 4000 min-1 bei 14 bar pme (Abbildung 7 -88 und Abbildung 7 -90) sowie Betriebspunkte nahe der Volllast bei 2000 min-1 und 19 bar pme (Abbildung 7 -89) und 4000 min-1 bei 17 bar pme
(Abbildung 7 -91). Der Versuch zeigt eine Verschiebung der ZZP in Richtung früh. Diese Früh-verstellung erfolgt solange bis ein kontinuierliches Klopfen detektiert wird. Betrachtet werden hierbei sowohl die motorinterne Klopfdetektion sowie eine zusätzliche Zylinderdruckindizie-rung.
Die Betriebspunkte bei 2000 min-1 zeigen ein Verhalten, welches bei entsprechender Orientie-rung des Verdichtungsverhältnisses zu erwarten ist. Das Bauteil mit vergrößertem ε zeigt gegen-über dem Vergleichsbauteil eine Verschiebung des ZZP nach früh und kann die Verbrennung da-durch weiter in Richtung des Wirkungsgradoptimums schieben. Eine ε-Verkleinerung verursacht demgegenüber eine frühere Klopfgrenze, sodass eine eindeutige Abgrenzung der Versuchsbau-teile ableitbar ist.
Der Teillastbetriebspunkt bei 4000 min-1 zeigt bei allen Bauteilen eine identische Klopfgrenze.
Die unterschiedlichen Verdichtungen sind hier nicht differenzierbar. Dies zeigt eine gute Ge-mischhomogenisierung in diesem Betriebspunkt bei gleichzeitig hohen effektiven Wirkungsgra-den.
Der Volllastbetriebspunkt bei 4000 min-1 zeigt analog zur VL bei 2000 min-1 eine klare Differen-zierbarkeit der individuellen Verdichtung. Eine höhere Verdichtung ergibt eine frühere und eine geringere Verdichtung eine spätere Klopfgrenze.
Abbildung 7-88: Klopfgrenzen der IO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 2000 min-1 und 14 bar pme
n=2000 min-1 pme=14 bar be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270 280
Zündzeitpunkt [°KW]
12 10
8 6
4 2
ZOT -2
-4
Bauteil 2 Bauteil 3 Referenzbauteil
Abbildung 7-89:Klopfgrenzen der IO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 2000 min-1 und 19 bar pme
Abbildung 7-90:Klopfgrenzen der IO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 4000 min-1 und 14 bar pme
be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270
Zündzeitpunkt [°KW]
2 ZOT
-2 -4
-6
Bauteil 2 Bauteil 3 Referenzbauteil
n=4000 min-1 pme=17 bar
Abbildung 7-91:Klopfgrenzen der IO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 4000 min-1 und 17 bar pme
Die Gegenüberstellung der Klopfgrenzen der Versuchsteile mit ZAV-Merkmal zeigen die nach-folgenden Abbildungen. Der Betriebspunkt 2000 mnin-1 und 14 bar pme ist in Abbildung 7 -92 abgebildet. Die Klopfgrenzen zeigen ein identisches Verhalten, wie es in Abbildung 7 -88 be-reits zu sehen ist. Die Klopfgrenze des Bauteils mit geringerer Verdichtung liegt trotz der hohen Abweichung zur Sollverdichtung sehr nahe an der Vergleichsmessung. Aufgrund der geringeren Verdichtung bei #07 muss zum Erhalten des Betriebspunktes der Ladedruck erhöht werden. Da-durch erhöht sich die Zylinderfüllung, woDa-durch sich die Klopfgrenze verschiebt. In diesem Fall verschiebt sich die Klopfgrenze auf das Niveau der Referenzmessung von #01. Gleichermaßen
be [g/kWh]
240 250 260 270 280 290 300 310
Zündzeitpunkt [°KW]
16 14
12 10
8
Bauteil 2 Bauteil 3 Referenzbauteil
n=2000 min-1 pme=19 bar
n=4000 min-1 pme=14 bar be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270
Zündzeitpunkt [°KW]
2 ZOT
-2 -4
-6 -8
-10
Bauteil 2 Bauteil 3 Referenzbauteil
verhält es sich bei der erhöhten Verdichtung. Zum Erhalt der Lastanforderung wird der Lade-druck gedrosselt, wodurch die Zylinderladung sinkt. Aufgrund der höheren Verdichtung besteht eine erhöhte Klopfgefahr, ähnlich der nach spät verschobenen Grenze von Bauteil #08. Im Ver-gleich mit Bauteil #03 zeigt sich eine identische Klopfgrenze. Das weiter gestiegene Verdich-tungsverhältnis führt zu einer weiteren Absenkung der Zylinderfüllung, weshalb die Klopfgrenze den gleichen ZZP zeigt.
Der Volllastpunkt bei 2000 min-1 lässt hingegen eine eindeutigere Differenzierung zu (vgl. Ab-bildung 7 -93). Eine geringere Verdichtung weist eine entsprechend frühe Klopfgrenze auf und eine erhöhte Verdichtung eine folgend späte Klopfgrenze. Gegenüber den IO-Bauteilen erhöht sich in der Volllast die Differenz zur Vergleichsmessung um ≈ 0,5°KW.
be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270 280
Zündzeitpunkt [°KW]
10 8
6 4
2 ZOT
-2 -4
Bauteil 7 Bauteil 8 Referenzbauteil
n=2000 min-1 pme=14 bar
Abbildung 7-92:Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 2000 min-1 und 14 bar pme
Abbildung 7-93:Vergleich der Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 2000 min-1 und 19 bar pme
Die Betriebspunkte bei 4000 min-1 zeigen gegenüber den IO-Bauteilen ein zunehmend differen-zierbares Verhalten. Der Teillastpunkt zeigt unabhängig vom Verdichtungsverhältnis eine Ver-besserung des Klopfverhaltens, d.h. eine Verschiebung der Verbrennung in wirkungsgradgünsti-gere Bereiche. Aufgrund des guten Gemischbildungszustandes kann mit der applizierten Be-triebsstrategie eine marginale Verbesserung des Betriebszustandes erzielt werden. Wird zudem der Volllastbetrieb berücksichtigt, ist ein gegenteiliges Verhalten zu erkennen. Aufgrund des hö-heren Ladedruckes kann bei großen Brennraumabweichungen die Klopfgefahr in besonders ge-fährdeten Bereichen stark ansteigen. Durch die hohe Verdichtung bei Bauteil #08 ist die
Klopf-be [g/kWh]
240 250 260 270 280 290 300
Zündzeitpunkt [°KW]
14 12
10 8
Bauteil 7 Bauteil 8 Referenzbauteil
n=2000 min-1 pme=19 bar
grenze trotz Ladedruckdrosselung um ≈2°KW nach spät verschoben. Bei Verringerung der Ver-dichtung wird durch Ladedruckerhöhung zur Erfüllung der Lastanforderung reagiert. Diese An-passung hat den gleichen Effekt, da dadurch die effektive Verdichtung beziehungsweise der Zu-stand zum Verdichtungsende die gleiche Charakteristik aufweist wie eine Erhöhung des Verdich-tungsverhältnisses. Folgend wird die Klopfgrenze sehr viel früher erreicht.
Abbildung 7-94: Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 4000 min-1 und 14 bar pme
be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270
Zündzeitpunkt [°KW]
2 ZOT
-2 -4
-6
Bauteil 7 Bauteil 8 Referenzbauteil
n=4000 min-1 pme=17 bar
Abbildung 7-95:Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit ZAV-Merkmal; 4000 min-1 und 17 bar pme
Die Versuchsreihen der Bauteile mit BR-Vol Merkmal sind in den nachfolgenden Abbildungen aufgetragen. Das Bauteil #13 weist eine Verringerung der Verdichtung und Bauteil #12 eine An-hebung der Verdichtung auf. Abbildung 7 -96 zeigt den Teillastbetriebspunkt bei 2000 min-1. Das Merkmal zeigt hier ein unauffälliges Verhalten. Eine Verringerung sowie eine Anhebung der Verdichtung weisen gegenüber der Vergleichsmessung identische Eigenschaften auf. Das Volllastverhalten bei 2000 min-1 (siehe Abbildung 7 -97) hingegen zeigt eine nachteilige Ver-schiebung der Klopfgrenze beider Bauteile. Hier wird entsprechend der Lastanforderung die Zy-linderfüllung angepasst, wodurch die sich daraus ergebende Verdichtung der Brennraumfüllung eine identische Klopfgrenze ergibt.
Der Teillastpunkt bei 4000 min-1 zeigt Abbildung 7 -98. Die Klopfgrenze des Vergleichsbau-teils und des BauVergleichsbau-teils mit erhöhter Verdichtung ist identisch. Bei geringerer Verdichtung hinge-gen ist eine Verschiebung der Klopfgrenze von ≈ 2°KW erkennbar. Am Volllastpunkt (siehe Ab-bildung 7 -99) muss die geringere Verdichtung durch eine Anhebung der Brennraumfüllung
an-n=4000 min-1 pme=14 bar be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270
Zündzeitpunkt [°KW]
ZOT -2
-4 -6
-8 -10
Bauteil 7 Bauteil 8 Referenzbauteil
gepasst werden, wodurch sich die Klopfgrenze an die Vergleichsmessung annähert. Bei stark er-höhter Verdichtung verschiebt sich die Klopfgrenze um ≈ 3°KW nach spät.
be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270 280
Zündzeitpunkt [°KW]
12 10
8 6
4 2
ZOT -2
-4
Bauteil 12 Bauteil 13 Referenzbauteil
n=2000 min-1 pme=14 bar
Abbildung 7-96:Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit BR-Vol Merkmal; 2000 min-1 und 14 bar pme
Abbildung 7-97:Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit BR-Vol Merkmal; 2000 min-1 und 19 bar pme
Abbildung 7-98:Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit BR-Vol Merkmal; 4000 min-1 und 14 bar pme
n=4000 min-1 pme=17 bar be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270
Zündzeitpunkt [°KW]
2 ZOT
-2 -4
-6
Bauteil 12 Bauteil 13 Referenzbauteil be [g/kWh]
240 250 260 270 280 290 300
Zündzeitpunkt [°KW]
16 14
12 10
8
Bauteil 12 Bauteil 13 Referenzbauteil
n=2000 min-1 pme=19 bar
be [g/kWh]
220 230 240 250 260 270 280 290
Zündzeitpunkt [°KW]
4 2
ZOT -2
-4 -6
-8 -10
-12
Bauteil 12 Bauteil 13 Referenzbauteil
n=4000 min-1 pme=14 bar
Abbildung 7-99:Klopfgrenzen der NIO-Bauteile mit BR-Vol Merkmal; 4000 min-1 und 17 bar pme
Zusammengefasst zeigt sich, dass eine marginale Abweichung zum Sollvolumen von der Motor-steuerung problemlos durch Manipulation des Ladedruckes oder des Zündwinkels ausgeglichen werden kann. Erweitern sich die Brennraumabweichungen, ist zwischen Verringerung und Erhö-hung der Verdichtung zu unterscheiden. Eine zu starke negative AbweicErhö-hung zur ausgelegten Verdichtung kann durch Anhebung der Zylinderladung zumindest in Teilen des Betriebsberei-ches angepasst und kompensiert werden. Die fehlende Kompression kann im Hochdrehzahlbe-reich nicht durch zusätzliche Aufladung ausgeglichen werden, weil die Gefahr von Motorschä-den durch einmalig auftretendes Superklopfen sehr hoch ist. Ähnlich verhält es sich bei sehr ho-hem Verdichtungsverhältnis. Der Betriebszustand wird durch Ladedruckregulierung an die Kom-pressionsverhältnisse angepasst. Trotzdem ist an den Klopfgrenzen zu erkennen, dass hohe ε zu einer Verschiebung der Klopfgrenze nach spät führen. Hier ist zudem keine Abhängigkeit der Brennraumform ableitbar. Die Bauteile #12 und #08 weisen das gleiche gemittelte Verdichtungs-verhältnis auf. Werden die zylinderindividuellen VerdichtungsVerdichtungs-verhältnisse näher betrachtet, zeigt sich, dass die Klopfgrenze vom Brennraum abhängig ist, deren ε am größten ist. Weiter ist ab-leitbar, dass das Merkmal mit reiner Brennraumdachverschiebung in der Zylinderachse (ZAV) gegenüber der Brennraumformabweichung weniger empfindlich reagiert. Die Versuche lassen eine Tendenz erkennen, welche auch aus der 3D-CFD Simulation ableitbar ist. Allerdings ist se Sensitivität dem Verdichtungsverhältnis untergeordnet, sodass keine Eineindeutigkeit aus die-sen Versuchen feststellbar ist.