1. Auswertung Daten_Studenten.xls
Die indizierte Leistung berechnet sich nach folgender Formel:
Z H mi
i n p V T
P =2⋅ ⋅ ⋅ /
Dabei ist n die Drehzahl, pmi der indizierte Mitteldruck, VH das Hubvolumen und TZ die Anzahl der Takte pro Arbeitsspiel.
Die Drehzahl n, das Hubvolumen VH und die Taktzahl TZ sind konstant, wodurch die indizierte Leistung nur noch eine Funktion von pmi ist. Durch Variation der Kraftstoffmasse wird der indizierte Mitteldruck jedoch annährend konstant gehalten. Somit ist Pi unabhängig vom Einspritzzeitpunkt.
Die effektive Leistung Pe jedoch wird mit späterer Einspritzung tendenziell größer. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass mit früherem Einspritzzeitpunkt auch der Spitzendruck und somit die hydrodynamische Reibung in den Lagern steigt. Die Reibung stellt den bei weitem größten Verlust dar. Somit werden thermodynamische Ursachen für diesen Verlauf von Pe nicht vermutet.
Einspritzbeginn - Indizierte Leistung
6,00 6,05 6,10 6,15 6,20
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
°KW
P_i [kW]
Einspritzbeginn - Effektive Leistung 4,55
Der effektive Kraftstoffverbrauch be und der indizierte Kraftstoffverbrauch bi berechnen sich nach folgenden Formeln:
e Ks e
e
e t P
m P b B
⋅
= ∆
= ;
i e
i P
b = B
Bedingt durch Reibungsverluste und Wandwärmeverluste ist der effektive höher als der indizierte Kraftstoffverbrauch. Der Kraftstoffverbrauch ist aufgrund des besseren Wirkungsgrades bei früher Einspritzung geringer.
Einspritzbeginn - Effektiver/ Indizierter Kraftstoffverbrauch
200 220 240 260 280 300 320
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
°KW
b_i, b_e [g/kWh]
b_e b_i
Die Einspritzmasse wird aus oben genannten Gründen erhöht.
Einspritzbeginn - Einspritzmasse
32 33 34 35 36 37
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
°KW
Einspritzmasse [mg/ASP]
Der Zündverzug berechnet sich aus der Differenz zwischen Brennbeginn und Einspritzbeginn umgerechnet in Millisekunden.
Im Bereich -1°KW vor OT ist der Zündverzug am geringsten, da hier die Temperatur und der Druck ihr Maximum haben. Der Versatz zum OT ist auf thermodynamische Verluste zurückzuführen. Der Anstieg bei früheren Einspritzzeitpunkten ist auf das geringere Druck- und Temperaturniveau zurückzuführen. Dieser Effekt wird bei späteren Einspritzzeitpunkten von einem zusätzlichen überlagert. Durch die erhöhte Kraftstoffmasse wird mehr Kraftstoff verdampft und so die Brennraumtemperatur niedriger. Damit ist der Anstieg zu späteren Einspritzzeitpunkten größer.
Einspritzbeginn - Zündverzug
0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
°KW
Zündverzug [ms]
Der Druckanstieg dp/dϕ ist direkt abhängig vom Zündverzug und hat damit einen ähnlichen Verlauf. Wird nach OT eingespritzt wird entgegen dem Druckabfall durch die Bewegung des Kolbens nach unten, der Verbrennungsdruck aufgebaut. Damit ist der Spitzendruck nicht so hoch. Auch der Druckgradient wäre bei dieser Einspritzmasse zu einem früheren Einspritzzeitpunkt noch höher.
Einspritzbeginn - Druckgradient
13 14
W]
Schwärzungszahl FSN und der NOx–Anteil sind gegenläufig. Mit späterem Einspritzzeitpunkt gehen die NOx–Werte aufgrund niedrigerer Brennraumtemperaturen nach unten. Hingegen ist dann auch die Zeit für die Oxidation des Kohlenstoffs geringer was zu einer höheren Schwärzung führt.
NOx - Schwärzungszahl
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
1000 1500 2000 2500 3000 3500
NOx [ppm]
Schwärzung FSN
SOI=6°KW
SOI=-8°KW
Auch der indizierte Kraftstoffverbrauch und der NOx–Anteil sind gegenläufig. Der Kraftstoffverbrauch ist aufgrund des besseren Wirkungsgrades bei früher Einspritzung geringer.
NOx - Indizierte Kraftstoffverbrauch
200 205 210 215 220 225 230
1000 1500 2000 2500 3000 3500
NOx [ppm]
b_i [g/kWh]
SOI=-8°KW SOI=6°KW
Der NOx – Anteil nimmt mit steigendem maximalen Zylinderdruck zu, da mit höheren Drücken auch höhere Temperaturen entstehen, was wiederum höhere NOx–Werte nach sich zieht.
NOx - Maximaler Zylinderdruck
80 90 100 110 120 130 140 150 160
1000 1500 2000 2500 3000 3500
NOx [ppm]
p_max [bar]
SOI=-8°KW
SOI=6°KW
Mit fallender Abgastemperatur steigt die NOx Konzentration. Die Abgastemperatur steigt bei später Einspritzung an, was auf die geringere Zeit für den Wandwärmeübergang zurückzuführen ist.
NOx - Abgastemperatur
400 420 440 460 480 500 520
1000 1500 2000 2500 3000 3500
NOx [ppm]
T_Abg [°C]
SOI=-8°KW SOI=6°KW
Wichtigste Erkenntnis aus den Diagrammen ist, dass Ruß und NOx nicht gleichzeitig beliebig minimierbar sind, sondern abhängige und gegenläufige Größen sind (Stichwort: Zielkonflikt).
2. Arbeitsprozessdaten
Die Diagramme zeigen den Druckverlauf, den Verlauf des Raildruckes, die Messwerte der Injektornadel, sowie die Injektorspannung zum einen über den Kurbelwinkel im Bereich von - 30° bis 40° um den OT und zum anderen über die Zeit.
2.1 Datei „dv0491“
Die Ansteuerung der Nadel beginnt ca. 8° vor OT mit einem kurzen Verzug beginnt sich die Nadel zu heben und ist ca. 4° vor OT voll geöffnet. Etwa hier beginnt auch die Entzündung des Gases, was am Druckanstieg im Diagramm zu sehen ist. Der Druckverlauf ist stetig und steigt auf ca. 160bar (7°n. OT) an. Gleichzeitig mit dem Öffnen der Nadel und ausströmen von Kraftstoff bricht der Raildruck zusammen und fällt um 150bar ab. Etwa bei Maximalhub ist das Minimum erreicht. Anschließend pendelt dieser sich wieder auf einen Wert ein. Der zeitliche Mittelwert liegt aber trotzdem ca. 80bar unter dem Ausgangsdruck, was auf eine verzögerte Nachförderung aus der Pumpe zurückzuführen ist.
2.2 Datei „dv0494“
In den Diagrammen sind dieselben Verläufe, wie in 2.1 dargestellt. Dabei sind die Verläufe der Injektornadel und des Raildruckes prinzipiell gleich. Die Ansteuerung der Nadel erfolgt aber erst 3° vor OT. Damit wird der Brennbeginn auf 2° nach OT geschoben, d.h. die Verbrennung wird „verschleppt“. Der Druckanstieg ist flacher und es wird nur ein Maximaldruck von 130bar (10°n. OT) erreicht. Das Drehmoment wird geringer sein als im Fall 2.1, da die Einspritzzeit bei gleichem Druck konstant ist, d.h. konstante Kraftstoffmasse.
2.3 Datei „dv0497“
Der Unterschied zu den anderen Dateien besteht wiederum im Einspritzzeitpunkt. Dieser liegt bei ca. 5° nach OT. Damit wird auch der Brennbeginn auf 8° nach OT geschoben. Die Verbrennung ist noch später, als bei 2.2 und es wird nur ein Maximaldruck von 110bar erreicht. Das Drehmoment müsste noch niedriger liegen, da wiederum die Einspritzzeit bei gleichem Druck konstant ist, d.h. konstante Kraftstoffmasse. Der Verlauf des Raildruckes ist ähnlich dem in 2.1 und 2.2 .
Diagramme für Messungen dv0491, dv0494, dv0497 Zylinderdruck, Raildruck, Nadelhub, Injektorspannung über
dem Kurbelwinkel
ung [V]
0.5 1.0
1.5 Nadelhub [10^-3 mm]
0 100 200 300
Raildruck [bar]
1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
Zylinderdruck [bar]
0 50 100 150 200 dv0491 dv0494 dv0497
Diagramme für Messungen dv0491, dv0494, dv0497 Zylinderdruck, Raildruck, Nadelhub, Injektorspannung über
der Zeit
Injektorspannung [V]
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
1.5 Nadelhub [10^-3 mm]
0 100 200 300
Raildruck [bar]
1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
Zylinderdruck [bar]
0 50 100 150 200 dv0491 dv0494 dv0497
3. Dieselmotor Kennfelder
Kennfeld spezifischer Kraftstoffverbrauch und Kennfeld Stickoxidemission
pme [bar]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Drehzahl [1/min]
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
300 250 240 230
220
220
210 210
210
400
243 232
220 217
212 209
46
202
b_e [g/kWh]
pme [bar]
10 12 14 16 18 20
310 610 740
740 890
890
890
1000
735 734
784 809
880 892
61
1026
NOx [ppm]
