KE Zuendungspruefstand Ss13 - Bericht

Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik

Zündungsprüfstand KE_Zuendungspruefstand_ss13

Philipp Montsko

43782

Tobias Vogt

43790

10.10.2013

Inhalt Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................................... iv 1.

Einleitung ....................................................................................................................................1

2.

Literaturrecherche ......................................................................................................................2 2.1.

2.1.1.

Spulenzündanlage (SZ) .................................................................................................2

2.1.2.

Kontaktgesteuerte Transistorspulenzündung (TSZ-k)....................................................2

2.1.3.

Kontaktlose Transistorspulenzündung (TSZ-I/H) ...........................................................3

2.1.4.

Elektronische Zündung (Kennfeldzündung) ..................................................................3

2.1.5.

Vollelektronische Zündung (VEZ) ..................................................................................4

2.1.6.

Einzelfunkenzündung (EZ) ............................................................................................4

2.1.7.

Hochspannungskondensatorzündung (HKZ) .................................................................4

2.2.

3.

4.

Zündanlagen........................................................................................................................2

Mehrfachzündanlagen .........................................................................................................5

2.2.1.

Funkenbandzündung (Pulszugzündung) .......................................................................5

2.2.2.

Delphi Modular Multicharged Ignition System (MCI) ....................................................6

2.2.3.

Schnelle Mehrfachzündung, Multi Spark Ignition MSI ...................................................7

2.2.4.

Modulierbares Gleichstromzündsystem ALTRONIK DIES ...............................................7

2.2.5.

Coronazündung BERU ECCOS .......................................................................................8

2.2.6.

Radio Frequency Ignition System (RFI) .........................................................................9

2.2.7.

Performance Gas Injection (PGI) Glühstift Verfahren....................................................9

2.2.8.

Laserzündung............................................................................................................. 10

2.2.9.

Mikrowellen Punktzündung (MWPZ) .......................................................................... 10

2.2.10.

Mikrowellenraumzündung (MWI) .............................................................................. 11

2.2.11.

Plasmazündung (PZ) ................................................................................................... 11

2.2.12.

Durchbruchzündung (DBZ) ......................................................................................... 12

2.2.13.

Railplug ...................................................................................................................... 12

2.2.14.

Vorkammerzündkerze (BPI)........................................................................................ 13

2.2.15.

Vorkammerzündkerze mit Piloteinspritzung ............................................................... 13

Grundkonzept ........................................................................................................................... 14 3.1.

Zündungsprüfstand ohne Verbrennung ............................................................................. 14

3.2.

Zündungsprüfstand mit Verbrennung ................................................................................ 15

3.3.

Auswahl des Grundkonzeptes ............................................................................................ 16

3.4.

Festlegung des Gemisch Aufbereitungssystems ................................................................. 16

Konstruktion der Prüfkammer ................................................................................................... 19 4.1.

Rechtsvorschriften über Druckgeräte................................................................................. 20 Seite | i

4.2.

4.2.1.

Flanschadapter .......................................................................................................... 21

4.2.2.

Einschraubadapter ..................................................................................................... 22

4.2.3.

Adapter mit Überwurfklemmung ............................................................................... 23

4.2.4.

Wechselkopf .............................................................................................................. 24

4.3.

Metallische Flachdichtungen ...................................................................................... 25

4.3.2.

Metallische O-Ringe ................................................................................................... 25

4.3.3.

Hochtemperatur O-Ringe ........................................................................................... 25

4.3.4.

Graphit Flachdichtung ................................................................................................ 25

Sicherheitseinrichtung Überlastfall .................................................................................... 26

4.4.1.

Berstkolben ............................................................................................................... 26

4.4.2.

Federkolben............................................................................................................... 26

4.4.3.

Externes Sicherheitsventil .......................................................................................... 28

4.5.

6.

Abdichtung ........................................................................................................................ 24

4.3.1.

4.4.

5.

Kopfplatte ......................................................................................................................... 21

Konstruktion der Gesamtbaugruppe .................................................................................. 28

Verwendete Sensoren ............................................................................................................... 30 5.1.

Temperaturmessung ......................................................................................................... 30

5.2.

Messung des Druckverlaufs ............................................................................................... 30

5.3.

Körperschallsensor ............................................................................................................ 30

Finite – Elemente – Berechnung ................................................................................................ 31 6.1.

Modellierung ..................................................................................................................... 31

6.2.

Materialdefinition.............................................................................................................. 33

6.3.

Kontaktbedingungen ......................................................................................................... 34

6.4.

Randbedingungen ............................................................................................................. 35

6.5.

Aufbringen der Last ........................................................................................................... 37

6.6.

Vernetzung der Geometrie ................................................................................................ 38

6.7.

Ergebnisse der FEM Analyse .............................................................................................. 39

6.8.

Materialauswahl und Berechnung der Sicherheit ............................................................... 42

Anhang ............................................................................................................................................... I A.

Berechnungen .............................................................................................................................II A.1. Abschätzung der Druckerhöhung durch einen Zündfunken in einer kleinen luftgefüllten Prüfkammer ....................................................................................................................................II A.2.

Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung von Methan .............................................. IV

A.3. Abschätzung des Verbrennungsdruckes bei stöchiometrischer isochorer Methan Verbrennung .................................................................................................................................. V Seite | ii

A.4.

Vorauslegung der Schraubenverbindung ......................................................................... VIII

A.5.

Berechnung der Flächenpressung für die Kupferflachdichtung ............................................ X

B Datenblätter ...................................................................................................................................XI C Investitionsantrag .........................................................................................................................XIX D Zeichnungen ................................................................................................................................. XX E Übersicht Literaturrecherche ........................................................................................................XXI F Besprechungsprotokolle ..............................................................................................................XXIX G Angebote.....................................................................................................................................XXX Quellen ..........................................................................................................................................XXXI

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 3.1: Grundkonzept eines Zündungsprüfstandes ohne Verbrennung .................................. 14 Abbildung 3.2: Grundkonzept eines Prüfstandes mit Verbrennung.................................................... 15 Abbildung 3.3: Verschiedene Varianten eines Zündungsprüfstandes mit Verbrennung ..................... 16 Abbildung 3.4: Interne Gemischbildung ............................................................................................ 17 Abbildung 3.5: Externe Gemischbildung mit Komponenten Verdichtung ........................................... 17 Abbildung 3.6: Externe Gemischbildung mit Gemisch Verdichtung .................................................... 18 Abbildung 4.1: Skizze des Zündkerzenprüfstandes ............................................................................ 19 Abbildung 4.2: Einteilung der Druckbehälter in Kategorien [21](Seite 25) .......................................... 20 Abbildung 4.3: Kopfplatte mir geflanschtem Adapter ........................................................................ 21 Abbildung 4.4: Kopfplatte mit eingeschraubtem Adapter .................................................................. 22 Abbildung 4.5: Kopfplatte mit per Überwurf befestigtem Adapter .................................................... 23 Abbildung 4.6: Kopfplatte ohne Wechseladapter .............................................................................. 24 Abbildung 4.7: Berstkolben als Sicherheitseinrichtung ...................................................................... 26 Abbildung 4.8: Gefederter Kolben als Sicherheitseinrichtung ............................................................ 27 Abbildung 4.9: Federkennlinie des Werkstoffes X22CrMoV12-1 [1] ................................................... 27 Abbildung 4.10: Schnittansicht der Prüfkammer ............................................................................... 28 Abbildung 4.11: ¼ Zoll Einschraubverschraubung .............................................................................. 29 Abbildung 4.12: Anordnung der Luftkanäle und der Messtechnik ...................................................... 29 Abbildung 6.1: FEM Modell des Zündungsprüfstandes ...................................................................... 32 Abbildung 6.2: FEM Modell der Schrauben ....................................................................................... 32 Abbildung 6.3: Tie Contact zur Verbindung des Zylinderkopfes mit der Zylinderkopfschraube ........... 34 Abbildung 6.4: Symmetrierandbedingung in x-Richtung auf der farblich hervorgehobenen Fläche .... 35 Abbildung 6.5: Verschiebungsrandbedingung in z-Richtung .............................................................. 36 Abbildung 6.6: Applizierte Drucklast ................................................................................................. 37 Abbildung 6.7: Vernetzte Geometrie ................................................................................................. 38 Abbildung 6.8: Spannung in den vorgespannten Schrauben .............................................................. 40 Abbildung 6.9: Vergleichsspannung in den Schrauben unter Drucklast .............................................. 41 Abbildung 6.10: Vergleichsspannung in der Prüfkammer bei Drucklast ............................................. 41 Abbildung A.1: Flächenpressung im Lastschritt Vorspannung ............................................................. X Abbildung A.2: Flächenpressung im Lastschritt Druck ......................................................................... X

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Einleitung

1. Einleitung Bei der Weiterentwicklung von modernen Verbrennungsmotoren wird das Zündsystem immer mehr zu einem Schlüsselelement, von dem das erreichbare Potential hinsichtlich Wirkungsgradsteigerung und Emissionsreduzierung abhängt. Diese Primärziele der Motorenentwicklung werden beispielsweise durch erhöhte Abgasrückführungsraten, höhere Luftzahlen, gesteigerte Verdichtungsenddrücke oder geschichtete Gemische erreicht. Diese Maßnahmen beeinflussen die Entzündbarkeit der Gemische negativ, wodurch erhöhte Anforderungen an die Zündsysteme bestehen. Ein Zündungsprüfstand, mit dessen Hilfe die Entzündung von Gemischen unter erschwerten Bedingungen untersucht werden kann, stellt somit ein zentrales und wichtiges Element einer angewandten Motorenforschung dar. Das Projekt ist in zwei Teile aufgeteilt, die sich über zwei Semester erstrecken. Der erste Teil, der in diesem Bericht dargestellt wird, umfasst eine ausführliche Literaturrecherche, die Entwicklung, sowie die Konstruktion und die Berechnung der Bauteile. Der zweite Teil umfasst die Fertigung des Verbrennungsprüfstands mit ihrer Inbetriebnahme. Die Konstruktion besteht aus einem Zylinder, in welchem die Verbrennung abläuft, sowie einer Kopfund einer Fußplatte. Im Brennraum befindet sich ein weiteres zylindrisches Bauteil. Hiermit können verschiedene Kolbengeometrien eines Verbrennungsmotors nachgebildet werden. Die aufgeschraubte Kopfplatte beinhaltet eine Einspritzdüse sowie die Zündkerzenbohrung. In der Zylinderwand des Brennraumes sind Bohrungen für die Sensorik und den Gasaustausch eingebracht. Die Gemischbildung erfolgt aus Sicherheitsgründen innerhalb des Brennraumes. Zunächst wird der Brennraum mit verdichteter Luft gefüllt. Anschließend wird eine zuvor berechnete Kraftstoffmenge eingespritzt und das Gemisch gezündet. Zur Untersuchung der Verbrennung kommen Temperatursensoren, Drucksensoren sowie ein Körperschallsensor zum Einsatz. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt mittels eines Benzininjektors eines Ottomotors. Um gleichmäßige Randbedingungen zu erhalten, wird der Zündungsprüfstand vor Beginn eines Versuches mittels einer handelsüblichen Herdplatte auf ca. 300° Celsius aufgeheizt. Die Auslegung der Bauteile erfolgt mittels Finite Elemente Software.

Seite | 1

Literaturrecherche

2. Literaturrecherche Aufgrund der hohen Vielfalt der auf dem Markt erhältlichen Zündsysteme und Zündkerzen wird in diesem Projekt zunächst eine Literaturrecherche durchgeführt. Als Quellen dienen hierzu verschiedene Fachbücher, das Internet sowie einige Veröffentlichungen. Die in der Literaturrecherche gefundenen Zündsysteme werden entsprechend ihrer Eigenschaften im Folgenden kurz beschrieben. Eine tabellarische Übersicht ist im Anhang E zu finden. Die Literaturrecherche erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern spiegelt nur die gefundenen Informationen aus der Fachliteratur wieder.

2.1.Zündanlagen 2.1.1. Spulenzündanlage (SZ)

Die Spulenzündanlage ist eine sogenannte Batteriezündanlage, bei der das Ausschalten des Primärstromes und somit die Zündfunkenauslösung mechanisch durch einen Unterbrecherkontakt erfolgt. Der Zündfunken wird mittels einer rotierenden Hochspannungsverteilung auf die einzelnen Zündkerzen verteilt. Die Aufladezeit wird über den Schließwinkel bestimmt, das heißt sie ist durch die Nockenform vorgegeben. Nachteile:   

Geringe Funkenzahlen Hoher Kontaktverschleiß Nicht mehr Stand der Technik

Verwendete Zündkerzen: 

Herkömmliche Zündkerzen 2.1.2. Kontaktgesteuerte Transistorspulenzündung (TSZ-k)

Der Unterbrecherkontakt betätigt bei der Transistorspulenzündung über den Steuerstrom einen Transistor, welcher den Primärstrom (Transistor als Stromverstärker) schaltet und somit die Zündung auslöst. Vorteile: 

Geringerer Verschleiß als bei der Spulenzündanlage, durch die Entlastung des Unterbrecherkontaktes

Nachteile:  

Mechanische Anpassung des Zündzeitpunktes und Zündverteilung wie bei der Spulenzündanlage Nicht mehr Stand der Technik

Verwendete Zündkerzen: 

Herkömmliche Zündkerzen Seite | 2

Literaturrecherche 2.1.3. Kontaktlose Transistorspulenzündung (TSZ-I/H)

Der Steuerstrom wird mittels eines Induktivgebers (TSZ-i) oder eines Hallgebers (TSZ-h) erzeugt. Die Steuersignale werden an die Endstufe im Zündsteuergerät weitergegeben, welche den Primärstrom schaltet. [6] Vorteile:  

Höhere Drehzahlen als bei der Kontaktgesteuerten TSZ möglich Kein Verschleiß

Nachteile:   

Kompliziertes pneumatisch-mechanisches Verstellsystem Nur einfache Verstellkennlinien möglich Nicht mehr Stand der Technik

Verwendete Zündkerzen: 

Herkömmliche Zündkerzen

Magerlaufgrenze: 

Bis λ=1,7 2.1.4. Elektronische Zündung (Kennfeldzündung)

Der Zündzeitpunkt sowie der Einspritzbeginn werden bei der Kennfeldzündung mittels Parametern wie Druck, Drehzahl oder Temperatur elektronisch geregelt. Die Zündverteilung erfolgt mechanisch [22]. Vorteile:   

Das Zündkennfeld enthält für jeden möglichen Betriebspunkt des Motors den als besten Kompromiss ausgewählten Zündwinkel. (1000-4000 Kennfeldpunkte) Der Zündzeitpunkt ist näher an der Klopfgrenze Die Verbrennung wird dadurch effektiver

Seite | 3

Literaturrecherche 2.1.5. Vollelektronische Zündung (VEZ)

Der Aufbau gleicht der Elektronischen Zündung, jedoch ohne mechanischen Zündverteiler. Eingesetzt werden hier Zweifunkenzündspulen, bei welchen sich an jedem Hochspannungsanschluss eine Zündkerze befindet. Somit sind beide Zündkerzen in Reihe geschaltet. Es werden die in der Zündreihenfolge um 360° verdrehten Zylinder gleichzeitig gezündet, wodurch je eine Zündung in den Auspufftakt fällt. [2] Vorteile:    

Keinen rotierenden Verteiler Wesentlich geringerer Störpegel (keine offenen Funken) Geräuschreduzierung Verringerte Anzahl von Hochspannungsverbindungen

Nachteile: 

Zusätzlicher Spannungsbedarf 2.1.6. Einzelfunkenzündung (EZ)

Die Einzelfunkenzündung besitzt den gleichen Aufbau wie die Vollelektronische Zündung, jedoch mit einer Zündspule pro Zylinder. Die Zündspulen sitzen meist direkt auf den Zündkerzen. [2] Vorteile:   

Energiesparender Kürzere Hochspannungswege (keine Hochspannungskabel) Schließzeiten und Zündzeitpunkte können einzeln auf jeden Zylinder angepasst werden

Nachteile: 

Teurer als VEZ 2.1.7. Hochspannungskondensatorzündung (HKZ)

Die Hochspannungskondensatorzündung speichert die Zündenergie im elektrischen Feld eines Kondensators (Energiespeicherung auf 400V Niveau). Dieser Kondensator wird mit einem Konstantstrom oder über Impulse geladen. Im Zündzeitpunkt wird dann ein Thyristor durchgeschaltet, wodurch ein Entladen des Kondensators erfolgt. Wenn der Kondensator entladen ist, wird der Thyristor wieder geschlossen und der Aufladevorgang erfolgt. Somit speichert der Zündtransformator keine magnetische Energie und ist schnell in der Übertragung. [6]

Seite | 4

Literaturrecherche Vorteile: 

Weniger anfällig gegenüber Nebenschlüssen wie TSZ

Nachteil: 

Extrem kurze Funkendauer (0,1-0,3 ms)

Einsatz: 

Hauptsächlich schnelldrehende und leistungsstarke Vierzylinder oder Kreiskolbenmotoren.

Magerlaufgrenze: 

Bis λ=1.4

2.2.Mehrfachzündanlagen 2.2.1.

Funkenbandzündung (Pulszugzündung)

Die Funkenbandzündung wird während eines Arbeitsspiels mehrfach vom Motorsteuergerät angesteuert. Es werden zwei Betriebsarten verwendet. [6] 1. Wiederaufladung erst nach vollständiger Entleerung der Spule  Vorteil:  Wechselnde unbekannte Anfangsbedingung des Ladungszustandes beim Wiederaufladen wird vermieden  Nachteil:  Zeit bis zum nächsten Funken verlängert sich  Sinnvolle Wiederholraten ergeben sich nur für kleine Drehzahlen  Funkenabstand von 6ms bei 1000 min-1 entspricht bereits 36° Kurbelwellenwinkel, wodurch der zweite Funken schon weit vom optimalen Zündzeitpunkt entfernt ist 2. Wiederaufladung nach der Unterbrechung des Funkens  Vorteil:  Steigende Wiederholrate  Nachteil:  Dem Steuergerät ist das Energieniveau der Spule zu Beginn des zweiten Ladens nicht bekannt, wodurch zu niedrige oder zu hohe Ladungszustände der Spule entstehen können

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Literaturrecherche 2.2.2.

Delphi Modular Multicharged Ignition System (MCI)

Das MCI wird während eines Arbeitsspiels mehrfach vom Motormanagement angesteuert. Es verwendet eine Stromrückmeldung sowohl für den Sekundär- als auch für den Primärstrom. Bei diesem Zündsystem sind mehrere Ausführungen auf der gleichen Hardware-Plattform möglich. [25] Vorteil:      

Ladezustand der Spule ist zu jeder Zeit bekannt Erfordert keine spezielle Spulenbauart, da die Verbrennungsqualität über Ionenstromsignal bewertet wird Modulares Zündsystem, das an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann Arbeitet nach vorgeschriebenen Algorithmen Grundsätzlich unbegrenzte Zünddauer, ermöglicht auch ein Zünden von kritischen Gemischen Es ermöglicht ein größeres Applikationsfenster und verbessert die Robustheit auch bei der Verwendung geschichteter Verbrennung

Ausführungen (auf gleicher Hardware-Plattform): 



Ausführung Stufe 1: Hochenergiezündung mit Einfachfunken  Nachteil:  Mögliches Abbrennen des Zündfunkens bevor die Gemischwolke die Zündkerze erreicht, wodurch eine Auslöschung des Zündfunkens resultieren kann  Erhöhte NOx Emissionen wegen früher Zündung  Erlaubt einen aussetzerfreien Betrieb nur in einem sehr schmalen Einspritz- und Zündbereich Ausführung Stufe 2: Multi Charge Ignition System (Unterscheidung zwischen zeitgesteuerten und stromgesteuerten Systemen)  Das zeitgesteuerte System arbeitet unabhängig vom Ladungszustand der Spule. Das Auflademuster im Motorsteuergerät ist hier fest vorgegeben. Stromgesteuerte Systeme arbeiten mit dem tatsächlichen Zustand der Spule (Stromrückmeldung des Primär- und Sekundärstromes)  Vorteile:  Besserer Umgang mit stark variierenden Bedingungen im Brennraum.  Höhere Robustheit gegenüber Alterungseffekten und Komponentenstreuungen durch breitere Applikationsfenster  Senkung der NOx Emission durch die Verschiebung der Zündzeitpunkte Richtung Spät  Verbrauchsvorteil durch seltene erforderliche Regeneration des DeNOxKatalysators

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Literaturrecherche 



Ausführung Stufe 3: 12V Wechselstrom Zündsystem Alternating Current Ignition System (ACI)  Hier kommt eine zweigeteilte Primärzündspule zum Einsatz. Nach dem ersten Rampenanstieg und anschließender Zündung wird elektrische Energie direkt von der Batterie in den stehenden Funken geleitet. Somit entsteht ein ungestört brennender Funke bei wechselnder Polarität  Vorteile:  Voll kompatibel mit dem 12V Bordnetz (lässt sich in bestehende Zündsoftware integrieren) ACI 2P Zündsystem Zwei asymmetrische Primärzündspulen mit der Möglichkeit, die Primärspule verzögert schalten zu können  Nachteile:  Hochenergiespulen funktionieren nur in gasförmiger Umgebung mit geringer Strömung  Nochmaliges Zünden hängt stark von dem verbliebenen Leistungsniveau in der Spule ab

2.2.3.

Schnelle Mehrfachzündung, Multi Spark Ignition MSI

Der entstehende Funke wird flexibel mit Strom versorgt, um die gespeicherte Energie des Zündtransformators auf das für den ersten Funkendurchbruch nötige Maß zu beschränken. Nach dem Funkendurchbruch wird in kurzer zeitlicher Abfolge die Brennphase des Funkens mit nachgelieferter Energie aus der Spule unterstützt. Somit entsteht bei vielen Zündvorgängen nur ein Plasmakanal. [6] Vorteile:   

Verbesserungen in Verbrauch und Emissionen durch Verschiebung des Applikationspunktes, bei niedrigen und hohen Lasten im Schichtladebetrieb. Gesteigerte Verbrennungsrobustheit durch Verlegung des Applikationspunktes in Richtung eines thermodynamisch günstigeren Betriebspunkt. Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Rohemission. 2.2.4.

Modulierbares Gleichstromzündsystem ALTRONIK DIES

Der Zündfunke kann über die Stromstärke an verschiedene Funktionskurven angepasst werden. Hierdurch werden die Regelung des Brennstromes im Funken und eine Erhöhung der Durchbruchspannung infolge aufgeschaukelter Zündspannung aufgrund der Eigenfrequenzen ermöglicht. [6]

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Literaturrecherche

Vorteile:  

Steigerung der Zündenergie um das 3 – 4 fache Lange Funkenbrenndauer mit geringem Elektrodenverschleiß.

Anwendung: 

Großgasmotoren mit turbulenten, mageren Brennverfahren. 2.2.5.

Coronazündung BERU ECCOS

Ein hochenergetisches elektrisches Feld, das in den zur Entflammung günstigsten Punkt gelegt werden kann, wird zum Einleiten der Verbrennung verwendet. Die großvolumige Entflammung bewirkt eine schnelle Verbrennungseinleitung, welche durch elektrochemische Reaktionen initiiert wird. Es ist ein Gesamtsystem, welches nicht aus mehreren Einzelkomponenten besteht und zählt zu den Hochfrequenzzündungen. Die Form und die Ausführung von Elektrode, Isolator und Verbrennungsraum beeinflussen die Geometrie der Corona Entladung. Mittels geeigneter Software können die Entladedauer und die Entladeenergie je Zyklus variiert werden. [6] Vorteile:    

Reduzierter Kraftstoffverbrauch mit geringerer Abgasemission Verbesserung der Energieemission, NOx Emission sowie der CO2 Emission. Durch das Fehlen der Plasmaentladung / Funkenüberschlägen kann die Elektrodenerosion minimiert werden Corona Entladespannung ist niedriger als die Durchschlagspannung

Anwendung: 

Motoren mit hoher Leistung und magerer Verbrennung

Magerlaufgrenze:  

Λ > 2,5 Agr-Anteil > 40 %

Zündenergie: 

1500-2000 mJ

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Literaturrecherche 2.2.6.

Radio Frequency Ignition System (RFI)

RFI ist ein weiteres Zündsystem, das mittels Corona das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet. Auch dieses Zündsystem funktioniert nach dem Hochfrequenzprinzip (Frequenz: ca. 5MHz). [6] Vorteile:     

Aufgrund des räumlichen Funkenmusters ist es durch die vielen Funkenkanäle in der Lage, magere brennbare Gemische über einen weiten Druckbereich zu entzünden Rasche Verbrennungseinleitung Verringerung der zyklischen Schwankungen Großer Bereich für die Verstellung des Zündzeitpunktes4 Geringer Kraftstoffverbrauch

Magerlaufgrenze: 

Λ = 1,43 2.2.7.

Performance Gas Injection (PGI) Glühstift Verfahren

Die PGI Zündungskomponenten sind ein Pilot-Gas-Hochdruckeinspritzventil und eine Starthilfe, die in eine gekühlte Vorkammer eingesetzt wird. Die Vorkammer wird während der Verdichtung mit dem Gemisch, mit hoher Mikroturbulenz geflutet. Somit entsteht eine hohe Zündfähigkeit. Nach dem Entzünden der Ladung in der Vorkammer entfachen die austretenden Feuerstrahlen die Ladung im Hauptbrennraum. Die Vorkammer kann auch mit einer eigenen Gasversorgung ausgestattet werden, um mittels eines fetten Vorkammergemisches ein mageres Hauptkammergemisch zu entzünden. Der Vorkammereinspritzdruck beträgt ca. 230 bar mit einem annähernd stöchiometrischen Gemisch, welches sich an der Oberfläche der Starthilfe (während der Startphase elektrisch beheizt) entzündet. Die Zündzeitpunktsteuerung erfolgt über den Einspritzzeitpunkt des Pilotgases. [6] [10] Vorteile:      

Sehr magere Gemische lassen sich zuverlässig Zünden Sehr hohe Mitteldrücke Kompressionsenergie der Pilotgasanlage ist vernachlässigbar gering Nahezu kein Verschleiß Besserer Wirkungsgrad bei höherer Betriebssicherheit Geringere Emissionen bei geringeren Wartungskosten

Magerlaufgrenze: 

λ = 2,0

Zündenergie: 

ca. 105 mal höher als bei herkömmlichen Zündkerzen

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Literaturrecherche 2.2.8.

Laserzündung

Ein Laserstrahl erzeugt mit einer Bestrahlungsstärke von ca. 1010 W/cm2 ein Funkenplasma am Ende des Laserpulses. Dies wird durch eine Multiphotonenionisation und einen Elektronen Kaskadeneffekt hervorgerufen. Der Zeitpunkt des Durchbruchs wird als optischer Durchbruch bezeichnet. [6] [4] Vorteile:     

Extrem kurze und trotzdem energiereiche Zündung Eine hohe Zündenergie wird an dem für die Verbrennung optimalen Ort eingebracht Einsatz in Magermotoren geplant Sehr schneller Anstieg der Flammflächengröße Geringere zyklische Verbrennungsschwankungen

Nachteile:   

Befindet sich noch im Experimentalstadium Zündaussetzer im Schichtbetrieb durch Zuordnungstoleranzprobleme Teuer 2.2.9.

Mikrowellen Punktzündung (MWPZ)

Bei der MWPZ kommt ein koaxialer Leistungsresonator zum Einsatz, der das Zündplasma nicht zwischen zwei Elektroden, sondern frei stehend im Einspritzstrahl bildet. [6] [10] Vorteile:  

  

Beliebige Zünddauer und frei einstellbare Zündfolgen Keine Massenelektrode o Geringere Eindringtiefe o Geringere Bildung von Ablagerungen und Wärmeverlusten o Bessere Entflammung von mageren Gemischen Pulsanzahl und Gesamtdauer beliebig einstellbar Zuverlässige Entflammung geschichteter Gemische bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung und strahlgeführtem Brennverfahren Mehrfachzündstrategien möglich

Zündkerze: 

Koaxialer Leistungsresonator

Zündenergie: 

Pulsleistung von 1600W

Zündfrequenz: 

2.45 GHz Seite | 10

Literaturrecherche 2.2.10.

Mikrowellenraumzündung (MWI)

Bei der Mikrowellenraumzündung wird durch einen Hochfrequenzgenerator ein Mikrowellenimpuls erzeugt, über den das gesamte Gemisch homogen gezündet wird. Somit wird die laminare Brennphase eliminiert und es erfolgt eine Raumzündung, die lediglich turbulente Verbrennung aufweist. [14] [17] Vorteile:  

Kraftstoffeinsparung bis zu 30% Emissionseinsparung bis zu 80%

Nachteil: 

Lediglich theoretische Überlegungen

2.2.11.

Plasmazündung (PZ)

Mit Hilfe einer extrem schnellen Entladung und einem speziellen Zünder wird eine in den Brennraum eindringende Plasmawolke erzeugt, welche das Gemisch entzündet. Die Energieeinleitung in den Zünder kann mit induktiven und kapazitiven Zündsystemen geschehen. [6] Vorteile: 

Senkung der Magerlaufgrenze

Nachteile:  

Hohe Bauteilbelastung bei der Erzeugung der Plasmawolke Lebensdauer des Zünders extrem kurz

Zündenergie: 

Eingesetzte Energie: 700mJ

Magerlaufgrenze: 

λ = 1,54

Seite | 11

Literaturrecherche 2.2.12.

Durchbruchzündung (DBZ)

Die Durchbruchzündung entspricht einem Hochspannungskonzept, da der Primärkondensator mit Gleichspannung auf 600V aufgeladen wird. Nach Durchschalten des Thyristors erfolgt die Entladung des Kondensators. Der entstehende Impuls auf der Sekundärseite hat eine Spannung von 40kV. Die Entladung der Zündenergie erfolgt als Luftfunke. [14] [17] Vorteile:   

Liefert mehr thermische Funkenenergie zum Entflammungspunkt Verringert den Vorzündbedarf Verbessert die Magerlauffähigkeit

Nachteile:  

Entnimmt der Batterie deutlich mehr Energie als TSZ Höhere NOx –Emissionen aufgrund der schnellen Verbrennung

Zündkerze:   

Standardkerze Hohlraumkerze 3-Elektrodenkerze

2.2.13.

Railplug

Wie bei der Plasmazündung wird in einem Hohlraum durch einen Funken Plasma gebildet, welches das Gemisch entzündet. Zusätzlich zu den thermischen Kräften entstehen elektromagnetische Kräfte, die das Plasma in den Brennraum beschleunigen. [6] Vorteile:  

Erhöhte Magerlaufgrenze Verbesserte Motorlaufruhe

Nachteile:   

Großer Aufwand und hohe Kosten für die Optimierung und Realisierung Geringere Lebensdauer des Zünders im Vergleich zur herkömmlichen Zündung Höherer Energieaufwand

Seite | 12

Literaturrecherche 2.2.14.

Vorkammerzündkerze (BPI)

Die Voreinspritzung während des Einlasstaktes bewirkt ein homogen mageres Gemisch. Während des Verdichtens wird eine kleine Menge des Kraftstoffes in eine Kolbenmulde eingespritzt. Durch den Druckunterschied zwischen Brennraum und Vorkammer wird das Gemisch in die Vorkammer gesogen. Nach der Zündung in der Vorkammer werden die heißen Verbrennungsprodukte in den Brennraum beschleunigt. [13] Vorteile:    

Zweigeteilte Einspritzstrategie Starke Verbesserung der Entflammung magerer Gemische im Teillastbereich Positive Beeinflussung des Kraftstoffverbrauchs Reduzierung der Klopfgrenze bei homogen mager betriebener Volllast

Magerlaufgrenze: 

λ = 1,7

2.2.15.

Vorkammerzündkerze mit Piloteinspritzung

Piloteinspritzung in die Vorkammer der Zündkerze mit hochentzündlichem Kraftstoff oder Gas. Nach der Zündung des Vorkammergemisches entzünden Flammenfackeln das Brennraumgemisch. Vorteile:    

Erhöhung der Magerlaufgrenze Beschleunigung des Verbrennungsprozesses Verbrauchseinsparung Geringere NOx Emissionen, da nur in der Vorkammer die Voraussetzungen zur Bildung von NOx ideal sind

Nachteile: 

Zusätzlicher Aufwand und Kosten durch eigene Kraftstoffspeicherung

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Grundkonzept

3. Grundkonzept Für die Erprobung verschiedener Zündkerzen und Zündsysteme existieren zwei verschiedene Grundkonzepte eines Zündungsprüfstandes (ZP). Diese Konzepte unterscheiden sich im Wesentlichen darin, ob eine Verbrennung im Prüfstand stattfinden soll oder nicht. Diese Entscheidung muss zu Beginn getroffen werden, da sich hieraus verschiedene Anforderungen an den ZP ergeben. Im Folgenden werden beide Prinzipien vorgestellt, sowie deren Aufbau in groben Zügen erläutert.

3.1. Zündungsprüfstand ohne Verbrennung Eine Skizze des Grundkonzeptes für einen ZP ohne Verbrennung ist in Abbildung 3.1 dargestellt.

Abbildung 3.1: Grundkonzept eines Zündungsprüfstandes ohne Verbrennung Bei einem Zündungsprüfstand ohne Verbrennung wird der Druck in der Prüfkammer als veränderlicher Parameter angenommen. Das verwendete Medium in der Prüfkammer ist Luft. Diese wird im verdichteten Zustand mit einem Netzdruck von pNe = 6 bar aus dem Druckluftnetz der Hochschule entnommen. Anschließend wird die vorverdichtete Luft über einen Verdichter auf den gewünschten Enddruck gebracht. Der in der Skizze mit Regelstrecke bezeichnete Bereich enthält Komponenten zur Regelung der Druckluft und zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs. Die Prüfkammer dient als Träger der Zündkerzen und ist druckdicht ausgeführt. Sie kann durch Heizelemente auf eine Anfangstemperatur definiert vorgeheizt werden. Die Abgaseinheit dient im Wesentlichen der Entleerung der Prüfkammer. Mit einem solchen Prüfstand wird in erster Linie untersucht, bis zu welchem Druck die Zündkerzen und -systeme in der Lage sind, ein Zündplasma zu erzeugen und wie die Plasmaerzeugung zeitlich verläuft. Die Auswertung kann dabei beispielsweise über Drucksensoren nahe der Zündkerze erfolgen, da ein entstehendes Plasma zu Temperatur- und somit auch zu Druckänderungen in der Prüfkammer führt. Damit diese Zustandsänderungen in der Prüfkammer möglichst deutlich detektierbar sind, muss das Volumen der Prüfkammer klein gewählt werden.

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Grundkonzept

3.2. Zündungsprüfstand mit Verbrennung Ein Zündungsprüfstand mit Verbrennung unterscheidet sich von einem Zündungsprüfstand ohne Verbrennung wesentlich. Ein solcher Prüfstand erfordert eine Gemischaufbereitung sowie eine Prüfkammer mit gesteigerten Anforderungen. Durch die Verbrennung entstehen hohe Drücke, welche die Prüfkammer sicher aufnehmen können muss. Auch für den Abgastrakt ändern sich die Anforderungen an dessen Funktion grundlegend, denn die heißen Verbrennungsgase müssen nach erfolgter Verbrennung und Auswertung des Versuchs sicher entspannt werden. Eine beispielhafte Skizze für einen Zündungsprüfstand mit Verbrennung ist in Abbildung 3.2 dargestellt.

Abbildung 3.2: Grundkonzept eines Prüfstandes mit Verbrennung Bei dieser Umsetzung eines Prüfstandes mit Verbrennung werden Brennstoff und Druckluft in einer Gasmischanlage unter geringem Druck gemischt. Anschließend wird das Gemisch verdichtet. Zwischen Verdichter und Prüfkammer ist hier symbolisch ebenfalls eine Regelstrecke mit Sicherheitseinrichtungen eingetragen. Komponenten zur Regelung und vor Allem Sicherheitselemente müssen in jedem Bereich vorhanden sein. Durch auswechselbare Kolbeneinsätze kann das Volumen und die Geometrie des Brennraumes variiert werden. Die Entwicklung eines Prüfstandes mit Verbrennung ermöglicht eine Vielzahl von unterschiedlichen Versuchen. Hier können je nach konstruktiver Umsetzung in der Prüfkammer folgende Parameter variiert werden:     

Druck p Temperatur T Luftzahl λ Homogenität des Gemisches Geometrie des Brennraums

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3.3. Auswahl des Grundkonzeptes Die Wahl des Grundkonzeptes wird im Rahmen einer Projektbesprechung getroffen. Als zu verwirklichendes Konzept wird der Zündungsprüfstand mit Verbrennung gewählt, da in einem solchen Prüfstand vielfältigere Effekte untersucht werden können. Dies geschieht beispielsweise durch die Wahl einer entsprechenden Kolbengeometrie und einer Befüllung mit reiner Luft.

3.4. Festlegung des Gemisch Aufbereitungssystems Auch für den Zündungsprüfstand mit Verbrennung bestehen verschiedene Konzepte. Der wesentliche Unterschied liegt hier in der Gemisch-Aufbereitung. Die verschiedenen Varianten sind in Abbildung 3.3 dargestellt.

Abbildung 3.3: Verschiedene Varianten eines Zündungsprüfstandes mit Verbrennung Die in Abbildung 3.3 verwendeten Begriffe der internen und externen Gemischbildung können wie folgt verstanden werden: Bei einer internen Gemischbildung wird das zündfähige Gemisch in der Prüfkammer des Zündungsprüfstandes gebildet. Bei der externen Gemischbildung wird die Prüfkammer mit einem zündfähigen Gemisch befüllt. Dabei kann in eine Komponenten- und eine Gemisch-Verdichtung unterschieden werden. In Abbildung 3.4 bis Abbildung 3.6 sind Skizzen für die drei möglichen Varianten interne Gemischbildung, externe Gemischbildung mit Komponenten Verdichtung und externe Gemischbildung mit Gemisch Verdichtung dargestellt.

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Abbildung 3.4: Interne Gemischbildung

Abbildung 3.5: Externe Gemischbildung mit Komponenten-Verdichtung

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Abbildung 3.6: Externe Gemischbildung mit Gemisch-Verdichtung Die favorisierte Variante ist hierbei die Interne Gemischbildung. Bei diesem Konzept bestehen die geringsten Anforderungen an die Komponenten außerhalb der Prüfkammer, da diese nicht für die Handhabung von zündfähigem Gemisch ausgelegt werden müssen. Eine spätere Anpassung des Zündungsprüfstandes auf ein Konzept mit externer Gemischbildung ist jederzeit möglich.

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4. Konstruktion der Prüfkammer Die grundlegende Konstruktion besteht aus einem Hohlzylinder, in welchem sich die Brennkammer befindet. Dieser wird oben und unten mit je einer Platte verschraubt. Innerhalb des Brennraumes wird ein weiterer Zylinder eingelegt, der eine Art Kolben darstellt. Mithilfe dessen können verschiedene Kolbenbodengeometrien untersucht werden. In Abbildung 4.1 ist eine Skizze des Prüfstandes dargestellt. Zum Einsatz kann flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff kommen. Des Weiteren sollen alle zündkerzenbasierten Zündsysteme einsetzbar sein.

Abbildung 4.1: Skizze des Zündkerzenprüfstandes Die verschiedenen Konstruktionsanforderungen hinsichtlich der Randbedingungen sind in Tabelle 4.1 zusammengefasst. Tabelle 4.1: Anforderungsliste an die Konstruktion Art des Brennstoffs

Gasförmig, flüssig

Maximaldruck in der Prüfkammer Temperatur bei Messbeginn Mögliche Zündkerzentypen

Alle Standard Zündkerzen bis M18x1.5

Sensorik

Druck, Temperatur, Körperschall

Gemischbildung

Gemischbildung im Brennraum

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4.1.Rechtsvorschriften über Druckgeräte Bereits im Anfangsstadium der Konstruktion müssen eventuell existierende Rechtsvorschriften Berücksichtigung finden, damit spätere Änderungen vermieden werden können. Die infrage kommende Rechtsvorschrift ist die Richtlinie 97/23/EG. [21] Gemäß Artikel 9 Absatz 2 dieser Richtlinie handelt es sich bei explosionsgefährdeten Gasen um Fluide der Gruppe 1. In Artikel 3 sind die Druckbehälter aufgeführt, welche die in [21] Anhang I genannten grundlegenden Anforderungen erfüllen müssen. Dies sind gemäß Artikel 3 Absatz (1), 1.1. „Behälter, mit Ausnahme der unter Nummer 1.2 genannten Behälter1, für Gase […] bei Fluiden der Gruppe 1, wenn das Volumen größer als 1 Liter und das Produkt PS∙V größer als 25 bar∙Liter ist oder wenn der Druck PS größer als 200 bar ist (Anhang II Diagramm 1).“ Das genannte Diagramm ist in Abbildung 4.2 dargestellt.

Abbildung 4.2: Einteilung der Druckbehälter in Kategorien [21] (Seite 25) Der Solldruck in der Prüfkammer beträgt . Das Volumen der Prüfkammer hängt von der eingesetzten Kolbengeometrie ab, wird aber weit unterhalb der 1 Liter Grenze bleiben. Folglich gilt für die Konstruktion der Prüfkammer Artikel 3 Abs. 3. [21] Aus diesem Absatz ist sinngemäß zu entnehmen, dass diese Prüfkammer nach der in Deutschland geltenden guten Ingenieurspraxis ausgelegt und hergestellt werden muss, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. [21] (Seite 3) Dieser Forderung wird durch die Anwendung einer Finite Elemente Berechnung, sowie durch die umfangreiche Dokumentation des Konstruktionsprozesses und die Erstellung eines kompletten normgerechten Zeichnungssatzes Rechnung getragen.

1

1.2 Betrifft Schnellkochtöpfe und Druckgeräte zur Erzeugung von Dampf

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Konstruktion der Prüfkammer

4.2. Kopfplatte Da der Zündkerzenprüfstand in Bezug auf die verschiedenen Zündkerzentypen möglichst flexibel eingesetzt werden soll, zeichnen sich vier verschiedene konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten der Kopfplatte ab. Die unterschiedlichen Möglichkeiten werden in diesem Kapitel näher vorgestellt und die Vor- und Nachteile aufgeführt. 4.2.1. Flanschadapter

Die erste Variante stellt eine mehrteilige Konstruktion dar. Sie besteht aus einer Trägerplatte und einem aufgeschraubten Flanschadapter. Der Vorteil liegt bei dieser Variante darin, dass bei Verwendung einer anderen Zündkerze lediglich der Adapter ersetzt werden muss und nicht die komplette Kopfplattenbaugruppe. In Abbildung 4.3 ist eine CAD Ansicht der Kopfplatte aufgezeigt.

Abbildung 4.3: Kopfplatte mit geflanschtem Adapter Diese zunächst einfach und praktikabel erscheinende Konstruktion muss aufgrund einer zusätzlichen Anforderung jedoch überarbeitet werden. Diese Anforderung, die im Laufe des Konstruktionsprozesses entstand, sieht anstatt einer einfachen Bohrung als Einspritzkanal die Verwendung eines Benzininjektors vor. Dieser muss in einer bestimmten Lage zur Zündkerze eingebracht werden. Sollen alle Zündkerzen mit einem angeflanschten Adapter montierbar sein, müssen der Adapter und folglich auch der Flansch entsprechend groß angefertigt werden, wodurch der Einbau des Injektors aus Platzgründen nicht mehr möglich ist. Aus diesem Grund wird in der nächsten Konstruktion zunächst versucht, den Flansch zu vermeiden.

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Konstruktion der Prüfkammer 4.2.2. Einschraubadapter

Um den Flansch zu vermeiden und zusätzlichen Bauraum zu erhalten liegt es nahe, den Adapter direkt einzuschrauben. Auch hierbei liegt der Vorteil darin, dass beim Einsatz verschiedener Zündkerzen nicht die ganze Baugruppe, sondern nur der Adapter gewechselt werden muss. Ein weiterer Vorteil gegenüber der erstgenannten Version stellt sich durch die Einsparung der Schrauben dar. In Abbildung 4.4 ist das CAD Modell dieser Variante aufgezeigt.

Abbildung 4.4: Kopfplatte mit eingeschraubtem Adapter Bei diesem Adapter entstehen jedoch Bedenken hinsichtlich eines sicheren Betriebes. Die Problematik ergibt sich durch das Ausdrehen der Zündkerze aus dem eingeschraubten Adapter. Sobald eine Zündkerze ausgeschraubt wird, ist die Möglichkeit des Lösens des Adapters gegeben und somit die sichere Abdichtung nicht mehr gewährleistet.

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Konstruktion der Prüfkammer 4.2.3. Adapter mit Überwurfklemmung

Aufgrund der bei dem zuvor aufgezeigten Adapter auftretenden Problematik des Mitdrehens, wird eine weitere Version der Kopfplatte entwickelt. Diese besteht aus einem Zündkerzenadapter und einer Überwurfmutter. In dem Zündkerzenadapter sind zwei Stahlstifte eingebracht, um eine Verdrehung zu verhindern. Als Abdichtung zum Brennraum hin wird zunächst eine metallische Flachdichtung vorgesehen. Zur Verspannung wird anschließend die Überwurfmutter aufgedreht. Der Vorteil dieses Deckels besteht in der einfachen Fertigung mehrerer Adapter für die verschiedenen Zündkerzengewinde. In Abbildung 4.5 ist diese Version der Kopfplatte dargestellt.

Abbildung 4.5: Kopfplatte mit durch Überwurf befestigtem Adapter Damit alle Zündkerzentypen bis hin zu den Zündsystemen mit M18x1.5 Gewinde einsetzbar sind, müssen der Adapter und die Überwurfmutter trotz des weiterhin vermiedenen Flansches immer noch relativ groß hinsichtlich des Durchmessers ausgeführt werden. Zum Einen fällt der Platzgewinn für den Injektor zu gering aus, zum Anderen zeigen erste Finite –Elemente Berechnungen eine starke Schwächung der Baugruppe aufgrund des Bohrungsdurchmessers. Somit zeigt sich eine Weiterkonstruktion dieser Version nicht besonders sinnvoll.

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Konstruktion der Prüfkammer 4.2.4. Wechselkopf

In der vierten Version wird ein einteiliger Deckel konstruiert. Hierdurch muss für jede individuelle Zündkerze eine eigene Kopfplatte gefertigt werden. Dies bietet nun die Möglichkeit, den Injektor und die Zündkerze frei zu platzieren. In Abbildung 4.6 ist eine CAD Ansicht des Wechselkopfes dargestellt.

Abbildung 4.6: Kopfplatte ohne Wechseladapter

Vorteilhaft ist diese Konstruktion, da sie keine weiteren Dichtstellen enthält. Dieser Umstand weist sich im weiteren Verlauf der Konstruktion noch als sehr nützlich heraus, da sich die Abdichtung unter den gegebenen Einsatzbedingungen als äußerst anspruchsvoll herausstellt. Weiterhin bietet es sich nun an, den Körperschallsensor auf der Oberseite der Kopfplatte anzubringen.

4.3. Abdichtung Da im Zündungsprüfstand eine Entflammung des Kraftstoff-Luftgemisches stattfindet, werden Drücke von bis zu 200 bar erwartet, was eine besondere Anforderung an die Dichtungselemente stellt. Darüber hinaus wird der Prüfstand konstant auf einer Temperatur von 300°C gehalten, wodurch weitere Herausforderungen an die Dichtstellen gestellt werden. Eine Recherche zeigt, dass lediglich metallische Flachdichtungen, metallische O-Ringe, Hochtemperatur-O-Ringe und Graphitdichtungen für diese Temperatur oder Druckbereiche geeignet sind.

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Konstruktion der Prüfkammer 4.3.1. Metallische Flachdichtungen Metallische Flachdichtungen eignen sich sowohl für den vorgegebenen Temperaturbereich als auch für solch hohe Drücke. In Frage kommt für die Verschraubung der stählernen Teile eine Flachdichtung aus Kupfer. Der Einsatzbereich bezüglich der Flächenpressung dieser Kupferdichtungen beträgt laut Herstellerdatenblatt (siehe Anhang B)

. Eine FEM Simulation

zeigt eine Flächenpressung der Kupferflachdichtung im vorgespannten Zustand von . Der Betriebsdruck wirkt in diesem Simulationsschritt noch nicht. Nach Beaufschlagung des Brennraumes mit einem Druck von

sinkt die Flächenpressung der Dichtung auf

(siehe Anhang Kapitel A.5). Laut dieser Berechnungen eignet sich eine einfache Kupferflachdichtung nicht für diese Anwendung. Die anderen Dichtungswerkstoffe sind aufgrund ihrer hohen Mindestflächenpressung ungeeignet, da sich die Dichtung in das Werkstück einpressen würde. 4.3.2. Metallische O-Ringe Metallische O-Ringe bestehen aus einem beschichteten oder unbeschichteten Metallring, der in eine Nut eingelegt wird und mit einer definierten Verformungskraft durch den Gegenflansch verpresst wird. Für Hochdruckanwendungen mit erhöhten Temperaturen, wie sie in diesem Projekt vorliegt, können Stickstoff gefüllte Dichtringe eingesetzt werden. Bei diesen Dichtringen steigt der Druck im Inneren mit steigender Temperatur, wodurch die Dichtwirkung erhöht wird. Bei dieser Art der Abdichtung bestehen keinerlei Bedenken hinsichtlich der technischen Anforderungen. Ein Anwendungsgebiet dieser metallischen O-Ringe ist laut Hersteller Trelleborg die Kernkraftwerkstechnik. Bei einer telefonischen technischen Beratung wird die Eignung dieser Dichtmittel für die Anwendung im Zündungsprüfstand bestätigt, aber dennoch vom Einsatz abgeraten, da der Stückpreis einer Dichtung bei einer Abnahmemenge von 100 Stück bei ca. 100€ angesetzt werden kann. [24] 4.3.3. Hochtemperatur O-Ringe Im Internet werben viele Firmen mit O-Ringen für Hochtemperaturanwendungen. Eine telefonische Rücksprache mit einigen Anbietern zeigt jedoch auch bei dieser Abdichtungstechnik Schwächen auf. Die Problematik liegt hier in den starken Druckspitzen in Kombination mit der hohen Temperatur. Diese Druckschwankungen würden die Hochtemperatur-O-Ringe bereits nach wenigen Versuchen zerstören. 4.3.4. Graphit Flachdichtung Graphit Flachdichtungen zeichnen sich durch ihre sehr hohe Druckbeständigkeit bis 250 bar und ihre hervorragende thermische Belastbarkeit bis zu 550°C aus. Auf Anfrage bei den Frenzelit Werken stellte sich heraus, dass mittels einer Software auch die dazu passende Dichtungsgeometrie und die Verschraubung berechnet werden kann. Durch kompetente Beratung seitens der Frenzelit Werke wird die Dichtung Novaphit SST für den Prüfstand ausgewählt. Da dieses Projekt bei Frenzelit auf großes Interesse stößt, werden der Hochschule diese Dichtungen voraussichtlich kostenlos zur Verfügung gestellt. [5] Seite | 25

Konstruktion der Prüfkammer

4.4. Sicherheitseinrichtung Überlastfall Da im Zündungsprüfstand Drücke von bis zu 250 bar erwartet werden, ist es unabdingbar, eine Sicherheitseinrichtung für den Überlastfall zu verbauen. Diese ist nötig, um im Überlastfall einer Gefährdung des Laborpersonals durch Zerstörung der Prüfeinrichtung vorzubeugen. Im Laufe der Entwicklung des Prüfstandes wurden drei Möglichkeiten für den Überlastfall erarbeitet. Diese werden im Folgenden kurz erläutert. 4.4.1. Berstkolben

Der Einsatz eines Berstkolbens stellt hier eine Möglichkeit dar, entstehenden Überdruck abzubauen. Dieser wird so konstruiert, dass er bei einem Überdruck ausbeult und somit den Brennraum vergrößert. Hierdurch sinkt der Druck im Brennraum. In Abbildung 4.7 ist die Konstruktion des Zündkerzenprüfstandes mit Berstkolben dargestellt. Die Einknickung des Kolbens ist in der Abbildung angedeutet.

Abbildung 4.7: Berstkolben als Sicherheitseinrichtung Der Kolben muss für diese Anwendung so konstruiert werden, dass er sich möglichst wenig elastisch verformt und beim Erreichen der Knicklast ausbeult. Dies scheint durchaus konstruktiv umsetzbar. Verbleibende elastische Verformungen, bei zulässigen Drücken, würden hier die aufgezeichneten Druckkennlinien leicht verfälschen. Problematisch hierbei ist jedoch die Abdichtung zwischen Kolbenunterseite und Brennraum. Wird hier keine absolute Dichtigkeit erreicht, sind die aufgezeichneten Druckkennlinien unbrauchbar. 4.4.2. Federkolben

Eine weitere Möglichkeit, den Brennraum bei entstehendem Überdruck zu vergrößern, kann mittels eines Federpaketes unter dem Kolben verwirklicht werden. Der Aufbau einer solchen Variante ist in Abbildung 4.8 dargestellt. Seite | 26

Konstruktion der Prüfkammer

Abbildung 4.8: Gefederter Kolben als Sicherheitseinrichtung Nachteil dieser Variante ist zum Einen die komplizierte Abdichtung des Kolbens zum Brennraum. Hier ergeben sich Probleme bei der Dichtungsauslegung, da die Federn bei Raumtemperatur vorgespannt werden und im späteren Betrieb unter Temperaturbelastung einen geänderten E-Modul aufweisen. Das Ausschlusskriterium für diese Konstruktion ergibt sich aus sicherheitstechnischen Bedenken. Bei Erreichen des Maximaldruckes von bei einer Solltemperatur von muss die Gaskraft, die von oben auf den Kolben wirkt, größer sein als die entgegenwirkende Federkraft und die benötigte Restklemmkraft der Dichtstelle. Wird die Sicherheitseinrichtung für diesen Betriebspunkt ausgelegt und entsprechend justiert, ist die Funktion bei Raumtemperatur nicht gewährleistet. Dies begründet sich, wie in Abbildung 4.9 gezeigt, durch den temperaturabhängigen EModul der Federwerkstoffe. Der E-Modul ist bei Raumtemperatur deutlich höher als bei Versuchstemperatur. Hieraus resultieren bei Raumtemperatur wesentlich höhere Anpresskräfte, die das Auslösen bei verhindern.

Abbildung 4.9: Federkennlinie des Werkstoffes X22CrMoV12-1 [1] Seite | 27

Konstruktion der Prüfkammer 4.4.3. Externes Sicherheitsventil

Eine weitere Möglichkeit bietet sich durch den Einsatz eines Überdruckventils, welches direkt in die Zylinderwandung eingebaut werden kann oder verbunden mit einer Rohrleitung extern angeordnet werden kann. Der Einbau in die Zylinderwandung erfordert ein Miniaturventil und ist hier aus konstruktiver Sicht die elegantere Lösung. Problematisch ist hierbei jedoch die Zylindertemperatur von , der das komplette Ventil ausgesetzt ist. Eine Anfrage bei der Firma Lee, welche Miniatursicherheitsventile für Anwendungen bei 300°C herstellt, zeigt, dass sich die Kosten für ein solches Ventil auf ca. 800€ belaufen. Aufgrund der Forderung nach einer kostenbewussten Konstruktion wird deshalb ein externes Sicherheitsventil mit einer kurzen Verrohrung eingesetzt. Durch die externe Anordnung des Ventils ist es wesentlich geringeren Temperaturen ausgesetzt und die Bauform ist frei wählbar.

4.5.Konstruktion der Gesamtbaugruppe Bei einer Projektbesprechung wurden die verschiedenen Varianten und Konstruktionen besprochen und die Entscheidung für die endgültige Variante getroffen. In diesem Abschnitt des Projektberichtes wird die Gesamtbaugruppe vorgestellt und erläutert. In Abbildung 4.10 ist eine Schnittansicht der Prüfkammer dargestellt.

Abbildung 4.10: Schnittansicht der Prüfkammer Verwendung findet in dieser Konstruktion der in Kapitel 4.2 vorgestellte Wechselkopf. Das Einspritzventil, die Zündkerze und der Klopfsensor sind in die Kopfplatte eingebaut. Die Anordnung des Einspritzventils ist hier so gewählt, dass der Kraftstoff in die Kolbenmulde eingespritzt wird. Durch das Einspritzen in die Kolbenmulde wird ein Verwirbeln des Kraftstoffes ermöglicht. Der Kolben ist mit der Fußplatte verschraubt und lässt sich somit auswechseln. Verschraubt wird die Prüfkammer mittels 8 M16 Schrauben mit der Festigkeitsklasse 10.9. Die Schrauben sind unten im Prüfkammerfuß versenkt, damit eine ebene Auflagefläche entsteht. Die Befestigungsgewinde befinden sich in der Kopfplatte. Die gesamte Prüfkammer ist mit einer Herdplatte beheizbar und soll Seite | 28

Konstruktion der Prüfkammer so vor jedem Versuch auf die Starttemperatur temperiert werden. So sollen gleichbleibende Einsatzbedingungen geschaffen werden. Der Zündkerzenprüfstand wird für die Messungen isoliert. Hierdurch sollen ebenfalls konstante Einsatzbedingungen geschaffen werden. Der Drucksensor wird mittels einer Überwurfmutter seitlich in den Zylinder eingeschraubt. Das Thermoelement, die Lufteinlassrohre sowie das Auslass- und Sicherheitsventil werden mittels Edelstahl Einschraubverschraubungen mit einem ¼ Zoll NPT Rohrgewinde mit der Prüfkammer verbunden. In Abbildung 4.11 ist eine solche Verschraubung dargestellt.

Abbildung 4.11: ¼ Zoll Einschraubverschraubung In die Einschraubverschraubungen wird die Rohrleitung eingesteckt, anschließend wird der Schneidring darüber geschoben und mittels der Überwurfmutter verspannt. [23] Durch die Verwendung des kegeligen NPT Gewindes entfallen zusätzliche Dichtelemente, da dieses selbstdichtend ist. Eine Übersicht der Luftkanäle und der Anordnung der Sensorik ist in Abbildung 4.12 dargestellt.

Abbildung 4.12: Anordnung der Luftkanäle und der Messtechnik

Die Anordnung der Lufteinlässe führt ebenso wie die Anordnung des Einspritzventils zu einer Verwirbelung des Gemisches im Brennraum. Das Auslassventil sowie das Sicherheitsventil werden in einem bisher noch nicht festgelegten Abstand zur Brennkammer angebracht. Das Thermoelement kann beliebig weit in den Brennraum eingeschoben werden, um die aussagekräftigsten Messdaten zu erhalten.

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Verwendete Sensoren

5. Verwendete Sensoren 5.1.Temperaturmessung In der Prüfkammer werden Temperaturfühler für einen großen Wertebereich eingesetzt. Die Zeit, in der nach der Zündung interessante Temperaturverläufe im Verbrennungsgas entstehen, beläuft sich auf etwa 30-50ms, was eine hohe dynamische Anforderung an die Temperaturmessung in der Prüfkammer stellt. Solch hochdynamische Temperaturmessungen können mit einem dünnen Widerstandsdraht durchgeführt werden. Dieser dünne Widerstandsdraht eignet sich allerdings nicht für den benötigten Temperaturbereich. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung zweier Messdrähte, welche in eine Bohrung eingeklebt werden und bündig mit der Innenwand abschließen. Diese Messtechnologie ist zwar hinsichtlich der Dynamik ungünstiger, wäre aber für den Temperaturbereich geeignet. Die Montage mittels Einkleben ist allerdings für den Druckbereich nicht geeignet. Die derweilen einzig erkennbare Möglichkeit der Temperaturmessung, die allen Anforderungen entsprechen würde, ist die Infrarotmessung. Hierbei wird die Gastemperatur von außen durch ein Schauglas hindurch gemessen. Auf Anfrage hin stellt sich dieses Messprinzip allerdings als zu kostspielig heraus. Aus diesem Grund werden Abstriche hinsichtlich der dynamischen Anforderungen gemacht und handelsübliche Thermoelemente eingesetzt. Hierdurch wird jedoch nur ein qualitativer Vergleich der Temperaturmessreihen ermöglicht, da sie den Temperaturverlauf nur verzögert aufzeichnen. Ein Thermoelement wird mittels einer Bohrung durch die Zylinderwand in den Verbrennungsraum eingeführt und mittels Einschraubverschraubung befestigt. Weitere Thermoelemente werden in Kopf- und Fußplatte angeordnet. Zur Messung wird ein digitaler Datenlogger der Firma Voltcraft eingesetzt. Die technischen Informationen zur Temperaturmessung entstammen einer freundlichen und kompetenten Beratung durch die Firma Omega Engineering Inc.

5.2.Messung des Druckverlaufs Um den Druckverlauf der verschiedenen Zündkerzen messen zu können, kommt ein bereits an der Hochschule vorhandener Druckquarz der Firma Kistler zum Einsatz. Das zugehörige Datenblatt befindet sich im Anhang B. Er wird ebenfalls durch eine Bohrung in der Zylinderwand in den Brennraum eingesetzt und verschraubt. Hierzu muss, wie dem Datenblatt zu entnehmen ist, eine Überwurfmutter gefertigt werden. Der für die Datenaufbereitung benötigte Ladungsverstärker wird vom Fachbereich Motortechnik des IKKU der Hochschule Karlsruhe zur Verfügung gestellt.

5.3.Körperschallsensor Um die hochfrequenten Schwingungsanteile, die für eine klopfende Verbrennung typisch sind, zu erkennen kommen bei Ottomotoren Körperschallsensoren zum Einsatz. Im Zündungsprüfstand wird ebenfalls ein Körperschallsensor aus der Kraftfahrzeugtechnik verbaut. Dies geschieht vor dem Hintergrund eventuell auch aus diesen Kennlinien Rückschlüsse über Verbrennung und Entzündung zu ziehen.

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Finite – Elemente – Berechnung

6. Finite – Elemente – Berechnung Die Berechnung der auftretenden Spannungen in den verschiedenen Bauteilen erfolgt mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM)2 unter Verwendung der von Dassault-Systemes veröffentlichten Software Abaqus. Die Anwendung der FEM erfordert ein hohes Maß an Erfahrung und Fachwissen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, erfolgen der Modellaufbau sowie die Berechnung in Absprache mit Herrn Prof. Dr. –Ing. Otto-Ernst Bernhardi. Für die Anwendung der FEM bedarf es eines speziell dafür aufbereiteten CAD-Modells. Dessen Aufbau wird im folgenden Abschnitt kurz erläutert.

6.1.Modellierung Das CAD Modell, welches im Laufe des Konstruktionsvorgangs immer weiter verfeinert wird, beinhaltet alle Details, die später in der Fertigung der Bauteile eingearbeitet werden. Beim Modell für die FEM Berechnung hingegen werden für die Berechnung irrelevante Details entfernt, um einerseits die Vernetzung mit den Finiten Elementen zu vereinfachen und andererseits die Anzahl der benötigten Elemente zu verringern. Ein gutes Beispiel hierfür sind Fasen an Bauteilkanten, die lediglich als Montagehilfe dienen. Die Reduzierung der Elemente bietet eine schnellere Auswertung der Studien und ist zwingend notwendig, da die Abaqus Lehrlizenz der HS Karlsruhe – Technik und Wirtschaft auf 20000 Knoten beschränkt ist. Weiterer Abänderungen bedarf es bei der Anordnung der Bohrungen für den Injektor. Im späteren Prüfstand wird ein Injektor eingebaut. Hierdurch ist der Kopf des Prüfstandes ein asymmetrisches Bauteil. Um eine Symmetrie des Bauteils zu erhalten, werden im FEM Modell vier Bohrungen für den Injektor vorgesehen. Hierdurch muss nur ein Viertel der Gesamtgeometrie mittels der FEM Rechnung ausgewertet werden. Das Verhalten des kompletten Prüfstandes wird durch Symmetrie Randbedingungen nachgebildet. Diese werden später genauer erläutert. Des Weiteren werden der Injektor sowie die Zündkerze aus dem Modell entfernt. Diese zugekauften Bauteile sind für die vorherrschenden Drücke und Temperaturen ausgelegt und müssen folglich nicht mitberechnet werden. Das Gewinde in der Zündkerzenbohrung wird ebenfalls vernachlässigt. Auch die Befestigungsbohrungen für das Injektor-Halteblech sowie das Halteblech selbst werden aus der Baugruppe entfernt, um die Anzahl der zur Vernetzung benötigten FE weiter zu verringern. Die Bohrungen zur Aufnahme des Injektors und der Zündkerze werden im FEM Modell an ihrer Unterseite verschlossen, damit die vom Verbrennungsdruck beaufschlagte Fläche nicht vermindert wird. Ein Screenshot des FEM Modells ist in Abbildung 6.1 gezeigt.

2

Das Finite – Elemente Verfahren ist ein numerisches Lösungsverfahren für partielle Differentialgleichungen, das für unterschiedliche Problemstellungen im Ingenieurswesen angewandt wird.[18]

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Finite – Elemente – Berechnung

Duplizierte und verschlossene Injektorbohrungen

Verschlossene Zündkerzenbohrung

Abbildung 6.1: FEM Modell des Zündungsprüfstandes Die verwendeten Schrauben sind ebenfalls stark vereinfacht modelliert. Sie bestehen lediglich aus zwei zylindrischen Körpern ohne Gewindegänge, Antriebsgeometrie im Schraubenkopf oder Rundungen und Fasen. Der Schaftdurchmesser der Schraube entspricht dabei nicht dem Nennmaß, sondern wird entsprechend des Spannungsquerschnitts gewählt, der beträgt, um realistische Spannungen zu erhalten. Eine Schraube ist in Abbildung 6.2 gezeigt.

Abbildung 6.2: FEM Modell der Schrauben Auf die Modellierung der Dichtungen als separate Bauteile wird verzichtet, da diese ein unbekanntes elastoplastisches Materialverhalten aufweisen. Auch wenn die Dichtungen nicht mit modelliert werden, ist die FE Berechnung trotzdem auch für die Problematik der Abdichtung aufschlussreich, da die vorhandenen Kontaktkräfte im Dichtungsbereich in allen Lastfällen ermittelt werden können.

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Finite – Elemente – Berechnung

6.2. Materialdefinition Da diese FEM Analyse der Auslegung und einer ersten Spannungsabschätzung dient, ist die genaue Materialauswahl noch nicht getroffen. Die Bauteile werden als allgemeine Stahlbauteile mit den in Tabelle 6.1 angegebenen Eigenschaften definiert. Tabelle 6.1: Materialparameter für die FEM Analyse Bezeichnung

Variable

Wert

Elastizitätsmodul

E

210000

Einheit

Querkontraktionszahl Dichte

Die verwendeten Einheiten ergeben mit den Längenmaßen in Millimetern und Drücken in Megapascal ein konsistentes Einheitensystem, wie es für die FEM Programme verwendet werden muss. Nach der Definition des Materials wird dieses jedem Bauteil zugewiesen. Im Anschluss an die Materialdefinition folgt die Definition der Kontakte, welche die Interaktionen zwischen den Bauteilen beschreiben.

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Finite – Elemente – Berechnung

6.3. Kontaktbedingungen Die Definition der Kontaktbedingungen stellt in der FEM oft einen Knackpunkt dar. Schon kleine Fehler in der Definition dieser Interaktionen können zu numerisch instabilen Modellen führen, für deren Lösungen keine Konvergenz besteht. Die einfachste Kontaktdefinition in Abaqus sind „Tie Contacts“. Diese verkörpern eine fest verklebte Verbindung und werden im vorliegenden Modell für die Einschraubverbindung der Zylinderkopfschraube im Kopf des Prüfstandes verwendet. Diese Kontakdefinition ist in Abbildung 6.3 gezeigt.

Abbildung 6.3: Tie Contact zur Verbindung des Zylinderkopfes mit der Zylinderkopfschraube Der Schraubenkopf steht mit der Fußplatte durch eine reibschlüssige Verbindung in Kontakt. Er wird in Abaqus durch einen „surface to surface“ Kontakt modelliert, welcher verschiedene Einstellmöglichkeiten aufweist. Gewählt wird hier ein „small sliding“ Kontakt, der für das Verschieben der Bauteile zueinander in tangentialer Richtung einen Reibkoeffizienten von aufweist. In Normalenrichtung wird die Option „hard contact“ ausgewählt. Die Kontaktflächen eines Kontaktpaares werden in Abaqus mit „Master“ und „Slave“ bezeichnet. Die Definition der „Master“ und „Slave“ Flächen erfolgt dabei entsprechend [3]. Die Kontaktdefinitionen zwischen der Kopfplatte des Prüfstandes und dem Zylinderrohr erfolgen mit denselben Einstellungen, ebenso der Kontakt zwischen Zylinderrohr und Fußplatte.

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Finite – Elemente – Berechnung

6.4. Randbedingungen Im nächsten Schritt werden die Randbedingungen auf das Modell appliziert. Hier spielen nun die in Abschnitt 6.1 erwähnten Symmetrieeigenschaften eine Rolle. Um ein realistisches Verhalten der Gesamtbaugruppe zu erzielen, wird das geviertelte Modell mit Symmetrierandbedingungen versehen. Beispielhaft ist in Abbildung 6.4 die Randbedingung in x-Richtung, also die Symmetrie zur yz-Ebene gezeigt.

Abbildung 6.4: Symmetrierandbedingung in x-Richtung auf der farblich hervorgehobenen Fläche Im „Edit Boundary Condition“ Fenster in Abbildung 6.4 wird ersichtlich, dass die Option XSYMM eine Zusammenfassung folgender Randbedingungen darstellt:  U1 = 0  UR2 = 0  UR3 = 0 Hierbei bedeutet U1 die Verschiebung in Richtung 1. Diese entspricht der globalen x-Richtung. UR2 ist gleichbedeutend mit der Rotation um die zweite Richtung, was einer Rotation um die globale yAchse entspricht. Entsprechend bedeutet UR3 eine Rotation um die globale z-Achse. Eine zweite Symmetrierandbedingung YSYMM, welche die Symmetrie in der xz-Ebene realisiert, wird entsprechend aufgeprägt. Das Modell besitzt nun noch einen Freiheitsgrad in z-Richtung. Die Starrkörperbewegung in dieser Richtung wird durch eine zusätzliche Verschiebungsrandbedingung verhindert, welche auf einen Eckpunkt appliziert wird.

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Finite – Elemente – Berechnung Diese Randbedingung ist in Abbildung 6.5 gezeigt. Eine Auswahl der kompletten Unterseite der Fußplatte ist hier fehlerhaft, da hierdurch die auftretende Durchbiegung verhindert würde.

Ausgewählter Eckpunkt Abbildung 6.5: Verschiebungsrandbedingung in z-Richtung Im Anschluss an die Definition der Randbedingungen werden die auftretenden Lasten im Modell angelegt. Für die Simulation des Zündkerzenprüfstandes liegen hier zwei Lastfälle vor. Die Lastfälle werden in Abaqus als „steps“ bezeichnet.

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Finite – Elemente – Berechnung

6.5. Aufbringen der Last Im ersten „step“ werden die Schrauben mit einer Kraft von je Schraube vorgespannt. Dies geschieht durch die Definition einer „bolt load“, welche im Inneren der Schraube eine Stauchung erzeugt, bis die gewünschte Vorspannkraft erreicht wird. Auf diese Weise sind alle auftretenden Verformungen der angrenzenden Teile beim Vorspannen der Schrauben berücksichtigt. Der zweite „step“ enthält neben der Belastung durch den Verbrennungsdruck ebenfalls Änderungen im Schraubenverhalten. Dieses wird nun als „fix at current length“ festgelegt. Hierdurch wird eine Schraubenverbindung erzeugt, bei der sich die Spannungen in der Schraube bei Dehnung realitätsnah für die Belastung mit Innenddruck erhöhen. Der Innendruck wird mit als skalare Größe auf alle Innenflächen gemäß Abbildung 6.6 aufgebracht. Die Form der angewandten Druck-Amplitude wird beim Standardfall „Ramp“ belassen, da es sich lediglich um eine statische Simulation des Maximaldrucks handelt. Über die Notwendigkeit einer transienten FEM Analyse der Prüfkammer kann nach Durchführung der ersten Messungen entschieden werden.

Abbildung 6.6: Applizierte Drucklast Da nun Randbedingungen und Lasten definiert sind, kann die Vernetzung der einzelnen Bauteile erfolgen.

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Finite – Elemente – Berechnung

6.6. Vernetzung der Geometrie Die Bauteile werden für diese Analyse mit Elementen des Typs C3D10 vernetzt. Hierbei handelt es sich um quadratische 10 Knoten Tetraeder Elemente. Die Abaqus Lehrlizenz, welche an der Hochschule zur Verfügung steht, ist in Ihrer Anwendung auf 20000 Knoten beschränkt. Aus diesem Grund wird mit einem Viertelmodell gerechnet und darauf geachtet, das Modell nur so fein wie nötig zu vernetzen. Die Vernetzung erfolgt für jedes Bauteil separat. Hierdurch entstehen an den Kontaktflächen keine durchgängigen Netze. Dies stellt jedoch für die Kontaktalgorithmen kein Problem dar. Die vernetzte Baugruppe ist in Abbildung 6.7 dargestellt.

Abbildung 6.7: Vernetzte Geometrie

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Finite – Elemente – Berechnung

6.7. Ergebnisse der FEM Analyse Zur Überprüfung der Plausibilität der FEM Berechnung werden die Spannungen in den vorgespannten Schrauben analytisch nachgerechnet. Stimmen die Ergebnisse mit der Simulation überein, kann davon ausgegangen werden, dass das Modell mit den Kontaktdefinitionen und Randbedingungen richtig definiert ist. Das FEM-Modell kann dann für die Auswahl des Materials und für die Berechnung der Sicherheiten herangezogen werden. Die Vorspannung in den Schrauben ergibt sich nach Gleichung (1). (1)

Tabelle 6.2: In Gleichung (1) verwendete Größen Bezeichnung Vorspannkraft

Variable

Wert

F

75000

Vorspannung

478

Spannungsquerschnitt

157

Einheit

Die FEM Berechnung der Schraubenvorspannung ergibt für die zentralen Knoten in den Schrauben eine Spannung von

. Ein Spannungsplot für den Lastschritt Schraubenvorspannung

ist in Abbildung 6.8 dargestellt. Durch die gute Übereinstimmung der Vergleichsrechnung mit der FEM Analyse wird das Modell als korrekt angenommen.

Seite | 39

Finite – Elemente – Berechnung

Abbildung 6.8: Spannung in den vorgespannten Schrauben Die Vergleichsspannung nach von-Mises liegt außerhalb der Schrauben bei . Nach der Überprüfung des Lastschritts Vorspannung kann mit der Betrachtung der Ergebnisse im zweiten Lastschritt begonnen werden. Durch den in diesem Lastschritt vorherrschenden Innendruck ist mit einer höheren Belastung der Schrauben zu rechnen. Zugleich sollten die Kopf- und Fußplatte durch die Schraubenarbeitskraft entlastet werden. Die FEM Analyse zeigt das erwartete Verhalten der Schraubenverbindung. Die maximale Vergleichsspannung in den Schrauben liegt unter Belastung mit Innendruck bei

. Die Kopfplatte sowie die Fußplatte werden in den Bereichen der

Verschraubung auf eine Vergleichsspannung von

entlastet. Diese Bereiche sind trotz

der Entlastung im Vergleich zum Lastschritt Vorspannung die am höchsten belasteten Zonen. Die maximale Vergleichsspannung des Zylinders tritt an den Luftkanälen auf und beträgt .

Seite | 40

Finite – Elemente – Berechnung Ein Spannungsplot im Zylinderschnitt sowie ein Plot des gesamten Modells sind in Abbildung 6.9 und Abbildung 6.10 dargestellt.

Abbildung 6.9: Vergleichsspannung in den Schrauben unter Drucklast

Abbildung 6.10: Vergleichsspannung in der Prüfkammer bei Drucklast Seite | 41

Finite – Elemente – Berechnung

6.8. Materialauswahl und Berechnung der Sicherheit Für die Verschraubung werden Zylinderkopfschrauben mit Innensechskant der Festigkeitsklasse 10.9 gewählt. Diese besitzen eine Mindeststreckgrenze von

. Für die Schrauben ergibt

sich die Sicherheit gegen Fließen nach Gleichung (2): (2)

Tabelle 6.3: In Gleichung (2) verwendete Größen Bezeichnung

Variable

Wert

Einheit

Schraubensicherheit

1.64

-

Schrauben Mindeststreckgrenze

900

Maximale Vergleichsspannungen der Schrauben

550

Für die anzufertigenden Teile der Prüfkammer wird der Vergütungsstahl C45 gewählt. Dieser weist nach [9] eine Grenzflächenpressung von

auf. Die Sicherheit gegen Fließen im Bereich

der Schraubenauflageflächen ergibt sich für die Platten nach Gleichung (3). (3)

Tabelle 6.4: In Gleichung (3) verwendete Größen Bezeichnung

Variable

Wert

Einheit

Sicherheit der Schraubenauflagefläche

2.8

-

Grenzflächenpressung

700

Maximale Vergleichsspannungen der Platten

250 Seite | 42

Finite – Elemente – Berechnung Im Zylinder treten geringere Spannungen auf. Sie entstehen an den Kanten der Luftbohrungen und betragen, wie in Abbildung 6.10 dargestellt, maximal . Für den vorhandenen Durchmesserbereich von beträgt die Streckgrenze nach einem Datenblatt der Firma Saarstahl

(siehe Anhang B). Die Sicherheit gegen Fließen ergibt sich damit nach

Gleichung (4). (4)

Tabelle 6.5: In Gleichung (4) verwendete Größen Bezeichnung

Variable

Wert

Einheit

Sicherheit im Zylinder

1.96

-

Streckgrenze C45

275

Maximale Vergleichsspannungen im Zylinder

140

Die Mindestsicherheit gegen Fließen beträgt . [9] Die hier ermittelten Sicherheiten sind somit für einen maximalen Druck von ausreichend. Der spätere Betriebsdruck liegt bei . Für den Fall des Versagens einzelner Regelkomponenten sollte auch betrachtet werden, wie sich die Gefahren für das Bedienpersonal im Falle eines Unglücks äußern. Bei einer sehr starken Überbelastung der Prüfkammer ist in erster Linie mit einem Versagen der Schraubenverbindung zu rechnen. Dies ist insofern unkritisch, da mit Überlastung der Schrauben automatisch eine Leckage eintritt, die einen weiteren Anstieg des Druckes verhindert. Mit dem Bruch von einzelnen Teilen in Kombination mit dem Herausschießen von Bruchstücken ist somit nach jetzigem Kenntnisstand auch beim Versagen aller Sicherheitsmaßnahmen nicht zu rechnen. Wie in Kapitel 4 bereits erwähnt, muss diese Prüfkammer nicht nach den Rechtsvorschriften für Druckgeräte geprüft werden. Trotzdem erscheint eine simulierte Überlastung mit einem inkompressiblen Fluid als sinnvoll, um eventuelle Fehler ausschließen zu können.

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Anhang

Anhang

Seite | I

Berechnungen

A. Berechnungen A.1. Abschätzung der Druckerhöhung durch einen Zündfunken in einer kleinen luftgefüllten Prüfkammer Annahmen: - Medium Luft - Isochore Wärmezufuhr durch Zündenergie - Wärmeübergang an Prüfkammer wird zur Abschätzung der maximalen Druckerhöhung vernachlässigt. - Spezifische Wärmekapazität wird als konstant angenommen Die Zustandsgrößen der Luft werden dem VDI Wärmeatlas entnommen [27]. In Tabelle A.1 sind die gegebenen Größen zur Berechnung aufgeführt.

Tabelle A.1:Gegebene Werte für die Berechnung Bezeichnung

Variable

Wert

Durchmesser

D

20

Einheit

Geometrie Höhe

20

Dichte

1.1685

Stoffdaten Luft im Zustand 1 Wärmekapazität Anfangstemperatur

293

Anfangsdruck

1

Zustandsgrößen

Zündenergie

Zugeführte Wärmemenge

Gesucht: Im Falle einer isochoren Zustandsänderung gilt für die zugeführte Wärmemenge nach [15]: (A.1)

Seite | II

Berechnungen Die Masse der Luft wird im Anfangszustand errechnet. Sie ergibt sich nach [15] zu: (A.2)

Durch Einsetzen von (A.2)in (A.1) ergibt sich für die Temperatur

folgende Bestimmungsgleichung: (A.3)

Für die isochore Zustandsänderung ergibt sich somit der Druck

nach [15] zu: (A.4)

Seite | III

Berechnungen

A.2.

Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung von Methan

Die chemische Reaktionsgleichung für eine Verbrennung ergibt sich im Allgemeinen zu: [12]

(

)

→

Für Methan mit der chemischen Formel (

)

(A.5)

ergibt sich: →

(A.5)

Für die stöchiometrische Verbrennung ergibt sich somit ein Sauerstoffbedarf von:

Der Luftbedarf ermittelt sich zu:

Wird dieser Luftbedarf mit den jeweiligen Dichten unter Normbedingungen verrechnet, kann das Massenverhältnis bestimmt werden. Die Stoffwerte stammen aus [27].

Seite | IV

Berechnungen

A.3. Abschätzung des Verbrennungsdruckes bei stöchiometrischer isochorer Methan Verbrennung

Annahmen: - Luft wird erwärmt - Ideales Gas - Isochore Wärmezufuhr durch Verbrennung - Wärmeübergang an Prüfkammer wird zur Abschätzung der maximalen Druckerhöhung vernachlässigt. - Spezifische Wärmekapazität wird als konstant angenommen Die Zustandsgrößen der Luft werden dem VDI Wärmeatlas entnommen. [27]

Tabelle A.2: Zustandsgrößen für die Abschätzung des Verbrennungsdruckes Bezeichnung

Variable

Wert

Stoffdaten Luft

Wärmekapazität

Stoffdaten Methan

Unterer Heizwert

50.013

Anfangstemperatur

473

Anfangsdruck

20

Einheit

Zustandsgrößen

Verbrennung

Luftmassenverhältnis stöchiometrisch

Gesucht: Analyse: Das Volumen der Prüfkammer ist zu Beginn mit Methan und Luft gefüllt. Somit setzt sich das Gesamtvolumen wie folgt zusammen: (A.5)

Seite | V

Berechnungen Mit dem Luftmassenverhältnis

nach A.2. (A.6)

lässt sich Gleichung (A.5) wie folgt umformen: (

) (A.7)

(

) (A.8)

(

)

Vereinfacht wird angenommen, dass die chemische Energie im Brennstoff der Luft in der Prüfkammer in Form von Wärme zugeführt wird. Diese Erwärmung erfolgt isochor. Die Berechnung erfolgt nach [15]. Für das ideale Gas gilt: (A.1)

Die zugeführte Wärme

ist die chemische Energie des Brennstoffes:

(A.9) Aus (A.9) = (A.1) folgt mit (A.7) und (A.8):

(

)

(

Dies wird zur Bestimmungsgleichung für

) (A.10) umgeformt: (A.10)

Durch die Temperaturerhöhung erfolgt eine Erhöhung des Druckes nach dem Gesetz: ( )

(A.4)

Seite | VI

Berechnungen Gleichung (A.10) in (A.4) eingesetzt liefert die gesuchte Bestimmungsgleichung für den maximalen Druck. (

Für die gegebenen Werte beträgt der Druck (

)

(A.11)

: )

Seite | VII

Berechnungen

A.4.

Vorauslegung der Schraubenverbindung Die Schraubenverbindung, welche Kopf- und Fußplatte sowie das Zylinderrohr verbindet, wird nach Roloff/Matek [16] vorausgelegt. Annahmen: - Alle Schrauben tragen zu gleichen Anteilen

Für eine Abdichtung mit Wills Rings O ist für eine Verformung des Dichtrings eine Mindestdichtkraft von notwendig.[24] In Tabelle A.3 sind die zur Berechnung verwendeten Größen aufgezeigt. Tabelle A.3: Für die Schraubenvorauslegung verwendete Größen Bezeichnung Mindestdichtkraft

Variable

Wert

Einheit

50.2

Dicht-Sicherheitsfaktor

2

Maximaler Druck

25

Zylinderinnendurchmesser

85

Schraubenmenge

8

Somit ergibt sich für die Verschraubung eine Mindestgesamtklemmkraft von: (A.12)

Seite | VIII

Berechnungen

Mit einem maximalen Druck von

ergibt sich die maximale Gesamtarbeitskraft zu: (A.13)

Die Anzahl der Schauben wird zu ergeben sich damit wie folgt.

festgelegt. Die Mindestklemmkraft und die Arbeitskraft

(A.11)

(A.15)

Nach [16] wird für die Verschraubung der Spannungsquerschnitt der Schrauben wie folgt ermittelt.

(A.16)

Als Nennmaß für die Verschraubung wird M16 mit einem Spanungsquerschnitt von gewählt.

Seite | IX

Berechnungen

A.5.

Berechnung der Flächenpressung für die Kupferflachdichtung

Abbildung A.1: Flächenpressung im Lastschritt Vorspannung

Abbildung A.2: Flächenpressung im Lastschritt Druck

Seite | X

B Datenblätter

B Datenblätter

Seite | XI

B Datenblätter

Seite | XII

B Datenblätter

Seite | XIII

B Datenblätter

Quelle: Kempchen Dichtungstechnik GmbH – www.kempchen.de Seite | XIV

B Datenblätter

Seite | XV

B Datenblätter

Seite | XVI

B Datenblätter

Seite | XVII

B Datenblätter

Seite | XVIII

C Investitionsantrag

C Investitionsantrag

Entwicklung eines Zündungsprüfstandes KE_Zuendungspruefstand_ss13 Bearbeiter: Philipp Montsko, Tobias Vogt

Fachbetreuer: Prof. Dr. -Ing. Maurice Kettner

Aufgabenstellung: Entwicklung eines Zündungsprüfstands zur Untersuchung der Einflüsse unterschiedlicher Zündsysteme und Zündparameter auf die Entflammung von Gemischen. Motivation: Bei der Weiterentwicklung von modernen Verbrennungsmotoren wird das Zündsystem immer mehr zu einem Schlüsselelement, von dem das erreichbare Potential hinsichtlich Wirkungsgradsteigerung und Emissionsreduzierung abhängt. Diese Primärziele der Motorenentwicklung werden beispielsweise durch erhöhte Abgasrückführungsraten, höhere Luftzahlen, gesteigerte Verdichtungsenddrücke oder geschichtete Gemische erreicht. Diese Maßnahmen beeinflussen die Entzündbarkeit der Gemische negativ, wodurch erhöhte Anforderungen an die Zündsysteme bestehen. Ein Zündungsprüfstand, mit dessen Hilfe die Entzündung von Gemischen unter erschwerten Bedingungen untersucht werden kann, stellt somit ein zentrales und wichtiges Element einer angewandten Motorenforschung dar. Für die Verwirklichung des F&E Projektes KE_Zuendungspruefstand_ss13 sind die im Folgenden aufgelisteten Investitionen notwendig. Investitionen: Pos. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Bezeichnung Halbzeuge 1 x Körperschallsensor 5 x Thermoelement Datenerfassung Thermoelemente, 4 Kanal mit Datenlogger Druckquarz (Fa. Kistler, 2000€) und Ladungsverstärkung (300€) werden vom Fachbereich Motortechnik des IKKU zur Verfügung gestellt. Kleinteile (z. Bsp.: Schrauben, Dichtungen) 10 x Verschraubungen und Verrohrung 1 x Zündendstufe 1 x Zündspule 2 x Magnetventil (PN 40 bar) 2 x Rückschlagventil (PN 200 bar) 1 x Sicherheitsventil 2 x Kugelhahn (PN 40 bar)

Kosten in € 150 50 150 250 0 150 150 120 80 400 250 800 120 2670

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D Zeichnungen

D Zeichnungen

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E Übersicht Literaturrecherche

E Übersicht Literaturrecherche Bezeichnung

Spulenzündanlage

Kontaktgesteuerte Transistorspulenzündanlage

Kontaktlose Transistorspulenzündung

Elektronische Zündung (Kennfeldzündung)

Kürzel Ausschalten des Primärstromes

SZ Mechanisch (durch den Unterbrecherkontakt) mechanisch (durch den Unterbrecherkontakt) Rotierende Hochspannungsverteilung Herkömmliche Zündkerzen

TSZ-K Elektronisch (über einen Transistor)

TSZ-I/H Elektronisch (über einen Transistor) Elektronisch über Induktivgeber oder Hallgeber Rotierende Hochspannungsverteilung Luftzündkerze

EZ Elektronisch (über einen Transistor) Durch Drehzahl und Bezugsmarkengeber an der KW Rotierende Hochspannungsverteilung Luftzündkerze

Geringerer Verschleiß am Unterbrecher durch Entlastung mittels des Transistors Kontaktverschleiss Anpassung des Zündzeitpunktes und Zündverteilung wie SZ Λ= 1,4 In Ottomotoren nicht mehr im Einsatz.

Höhere Drehzahlen möglich Kein Verschleiß

Effektivere Verbrennung da der Zündzeitpunkt näher an der Klopfgrenze liegt

Λ= 1,7 In Ottomotoren nicht mehr im Einsatz.

Noch im Einsatz

700-800mJ Ca.150mJ

700-800mJ Ca.150mJ

700-800mJ Ca.150mJ

Zündungsauslösung Funkenverteilung Verwendete Zündkerzen

Vorteile

Nachteile

Geringe Funkenzahlen hoher Kontaktverschleiß

Magerlaufgrenze Einsatzstadium

Λ= 1,4 In Ottomotoren nicht mehr im Einsatz.

Ladeenergie Zündenergie

Rotierende Hochspannungsverteilung Luftzündkerze

Kompliziertes pneumatischmechanisches Verstellsystem Nur einfache Verstellkennlinien

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E Übersicht Literaturrecherche

Bezeichnung

Vollelektronische Zündung

Hochspannungskondensatorzündung

Kürzel Ausschalten des Primärstromes

VEZ/EZ Elektronisch (über einen Transistor)

Zündungsauslösung

Durch Drehzahl und Bezugsmarkengeber an der KW Durch Einzelfunkenspulen oder Doppelfunkenspulen Ruhende Hochspannungsverteilung Herkömmliche Zündkerzen Keinen rotierenden Verteiler Keine offenen Funken Geräuschreduzierung Verringerte Anzahl der Hochspannungsleitungen Zusätzlicher Spannungsbedarf

HKZ Elektronisch (über einen Transistor und Kondensator) Elektronisch (durch Umladen des Kondensators, durchschalten eines Tyristors)

Funkenverteilung Verwendete Zündkerzen Vorteile

Nachteile Magerlaufgrenze Einsatzstadium Zündenergie

Derzeit im Einsatz Bis 70 mJ

Herkömmliche Zündkerzen Weniger anfällig gegenüber Nebenschlüssen

Extrem kurze Funkendauer Bis λ=1.4 Hochleistungs und Motorsportmotoren

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E Übersicht Literaturrecherche Bezeichnung

Funkenbandzündung (Pulszündanlage) PZZ Mehrfachzündung Die Zündspule wird nach einer Brenndauer von 200μs primär wieder eingeschaltet, so dass nur ein Teil der gespeicherten Energie abgerufen wird [20]

Schnelle Mehrfachzündung, Multi Spark Ignition MSI Mehrfachzündung Flexible Energieversorgung des Funkens  Nur ein Plasmakanal der weiter mit Energie versorgt wird

Besonderheit

Wiederaufladung erst nach vollständiger Entleerung der Spule

Nach Unterbrechung des Funkens

Zündungsauslösung Zündkerzen Vorteile

Mehrfache Ansteuerung durch das Motorsteuergerät Herkömmliche Zündkerzen Ladungszustand bei Wiederaufladung bekannt Innermotorische HC-Reduktion Jeder Funke besitzt den Gleichgroßen Energiebetrag Zeit bis zum nächsten Funken verlängert sich Sinnvolle Wiederholraten nur für kleine Drehzahlen (Motorstart) Zweiter Funken weit vom optimalen ZZP entfernt

Mehrfache Ansteuerung durch das Motorsteuergerät Herkömmliche Zündkerzen Steigende Wiederholrate

Nach dem Funkendurchbruch wird in kurzer zeitlicher Abfolge die Brennphase des Funkens mit nachgelieferter Energie aus der Spule unterstützt bei vielen Zündvorgängen nur ein Plasmakanal. Ähnlich der TSZ

Modulierbares Gleichstromzündsystem ALTRONIK DEIS Mehrfachzündung Zündfunke kann über die Stromstärke an verschiedene Funktionskurven angepasst werden Regelung des Brennstromes im Funken und eine Erhöhung der Durchbruchspannung infolge aufgeschaukelter Zündspannung aufgrund der Eigenfrequenzen Mehrfacher Steuerimpuls

Herkömmliche Zündkerzen Verbesserungen in Verbrauch und Emissionen Gesteigerte Verbrennungsrobustheit Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Rohemission.

Herkömmliche Zündkerzen Steigerung der Zündenergie um das 3 – 4 fache Lange Funkenbrenndauer mit geringem Elektrodenverschleiß

Kürzel Zündungsart Funktionsweise

Nachteile

Ladeenergie Einsatzstadium

Zündenergie

Wird nur in geringem Maße eingesetzt da sonst erhöhte Elektrodenerosion [9]

Energieniveau der Spule bei Beginn des zweiten Ladens nicht bekannt.  zu niedrige oder zu hohe Ladungszustände

Serieneinsatz bei Mercedes Benz

750mJ Großgasmotoren mit turbulenten, mageren Brennverfahren 60mJ Seite | XXIII

E Übersicht Literaturrecherche Bezeichnung

Delphi Modular Multicharged Ignition System

Kürzel Zündungsart

Hochenergie Zündung mit Einzelfunken (Stufe1)

Funktionsweise

Mehrfachalgorithmus welcher keine besondere Spulenbauart benötig

Besonderheit

Stromrückmeldung Bekannter Ladungszustand

Zündungsauslösung Einzelfunken Zündung Verwendete Herkömmliche Zündkerzen Zündkerzen Vorteile

Nachteile

Mögliches Abbrennen des Zündfunkens bevor die Gemischwolke die Zündkerze erreicht Aussetzerfreier Betrieb nur in einem schmalen Zünd- bzw. Einspritzbereich

Zündenergie Ladeenergie

100 mJ 400mJ

MCI Multi Charge Ignition System (Stufe2)

Zeitgesteuert unabhängig des Ladungszustandes der Spule  Auflademuster im Motorsteuergerät fest vorgegeben Algorithmen mit Zündzyklen Herkömmliche Zündkerzen

ACI

Stromgesteuert arbeitet mit dem tatsächlichen Zustand der Spule. (Stromrückmeldung des Primär und Sekundärstromes) Algorithmen mit Zündzyklen Herkömmliche Zündkerzen

Besserer Umgang mit stark variierenden Bedingungen im Brennraum. Durch die breiteren Applikationsfenster höhere Robustheit gegenüber Alterungseffekten und Komponentenstreuungen. Durch die Verschiebung der Zündzeitpunkte Richtung spät Senkung der NOx Emission Verbrauchsvorteil durch seltene erforderliche Regeneration des DeNOx-Katalysators.

200mJ 400mJ

200mJ 400mJ

Alternating Current Ignition System (Stufe 3) Ungestört brennender Funke bei wechselnder Polarität 12V Wechselstrom Zündsystem

Algorithmen mit Zündzyklen Herkömmliche Zündkerzen Voll kompatibel mit dem 12V Bordnetz (lässt sich in bestehende Zündsoftware integrieren)

Hochenergiespulen funktionieren nur in Gasförmiger Umgebung mit geringer Strömung Nochmaliges Zünden hängt stark von dem verbliebenen Leistungsniveau in der Spule ab. 200mJ 400mJ Seite | XXIV

E Übersicht Literaturrecherche Bezeichnung

Coronazündung BERU

Kürzel Zündungsart

ECCOS Hochfrequenzzündung Ein/Mehrfachzündug Ein Hochenergetisches Elektrisches Feld wird zum Einleiten der Verbrennung verwendet

Radio Frequency Ignition System (auch Coronaprinzip) RFI Hochfrequenzzündung Ein/Mehrfachzündug Ein Hochenergetisches Elektrisches Feld wird zum Einleiten der Verbrennung verwendet

Zündungsauslösung Mittels geeigneter Software können die Entladedauer, die Entladeenergie und die Entladung je Zyklus variiert werden. Verwendete Form und Ausführung von Elektrode, Isolator Zündkerzen und Verbrennungsraum beeinflussen die Geometire der Corona Entladung Gesamtsystem welches nicht aus mehreren Einzelkomponenten besteht

Mittels geeigneter Software können die Entladedauer, die Entladeenergie und die Entladung je Zyklus variiert werden. Form und Ausführung von Elektrode, Isolator und Verbrennungsraum beeinflussen die Geometire der Corona Entladung Gesamtsystem welches nicht aus mehreren Einzelkomponenten besteht

Vorteile

Aufgrund des räumlichen Funkenmusters ist es durch die vielen Funkenkanäle in der Lage magere brennbare Gemische über einen weiten Druckbereich zu entzünden. Rasche Verbrennungseinleitung. Verringerung der zyklischen Schwankungen Großer Bereich für die Verstellung des Zündzeitpunktes4 Geringer Kraftstoffverbrauch Λ = 1,43 Frequenz ca. 5 MHz

Funktionsweise

Magerlaufgrenze Zündenergie / Frequenz Einsatzstadium

Reduzierteer Kraftstoffverbrauch mit geringerer Abgasemission. Verbesserung der Energieemission, NOx Emission sowie des CO2 Emission. Durch das Fehlen der Plasmaentladung/ Funkenüberschlägen kann die Elektrodenerosion minimiert werden. Corona Entladespannung ist niedriger als die Durchschlagspannung. Λ > 2,5 1500-2000 mJ Motoren mit hoher Leistung und magerer Verbrennung

Performance Gas Injection PGI Glühstift Verfahren Vorkammer wird während der Verdichtung mit dem Gemisch, mit hoher Microturbolenz geflutet. Nach Zünden der Ladung entfachen die austretenden Feuerstrahlen die Ladung im Hauptbrennraum Zündzeitpunktsteuerung über Einspritzzeitpunkt des Pilotgases Starthilfe (Glühstiftkerze)

Zuverlässige Zündung sehr magerer Gemische. Sehr hohe Mitteldrücke Kompressionsenergie der Pilotgasanlage ist vernachlässigbar gering Nahezu kein Verschleiß an den Zündeinrichtungen Besserer Wirkungsgrad Geringere Emissionen bei geringeren Wartungskosten

λ = 2,0 ca. 105 mal höher als herkömmliche Zündkerzen Großvolumige Gasmotoren KWK Seite | XXV

E Übersicht Literaturrecherche

Bezeichnung Kürzel Zündungsart Funktionsweise

Laserzündung Laserzündung Ein Laserstrahl erzeugt mit einer Bestrahlungsstärke von ca. 1010 W/cm2 ein Funkenplasma

Zündungsauslösung Steuergerät Verwendete Laserlinse Zündkerzen Vorteile Extrem kurze und trotzdem energiereiche Zündung Eine hohe Zündenergie und das Einbringen dieser am für die Verbrennung günstigsten Punkt im Brennraum . Einsatz in Magermotoren geplant. Sehr schneller Anstieg der Flammflächengrösse Geringere Zyklische Verbrennungsschwankungen

Nachteile

Nicht geeignet das Zuordnungstoleranzproblem des geschichteten Motorbetriebes zu lösen.  Zündaussetzer im Schichtbetrieb

Magerlaufgrenze Zündenergie/ Leistung Einsatzstadium

Bis λ = 1,5 [7] Laserenergie 50mJ [7] 16-20 MW [11] Noch nicht über das Experimentalstadium hinweggesetzt zukünftig Magermotoren

Mikrowellen Punktzündung MWPZ Mikrowellenzündung Bei der Mikrowellenzündung wird über einen Hochfrequenzgenerator ein Mikrowellenimpuls erzeugt, der das gesamte Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum erfasst und homogen zündet Elektromagnetische Wellen Koaxialer Leistungsresonator

Mikrowellenraumzündung MWI Mikrowellenzündung Raumzündung die lediglich Turbulente Verbrennung aufweist

Beliebige Zünddauer frei einstellbare Zündfolgen Keine Massenelektrode  geringere Eindringtiefe  weniger Ablagerungen und geringere Wärmeverluste  dem Zündplasma wird weniger Wärme entzogen  bessere Entflammung von Magergemischen. Pulsanzahl und Gesamtdauer beliebig einstellbar. Zuverlässige Entflammung geschichteter Gemische Mehrfachzündstrategien möglich

Kraftstoffeinsparung ca.30% Emissionseinsparung bis zu 80%

Elektromagnetische Wellen Leistungsresonator

Pulsleistung von 1600W Derzeit in der Entwicklungsphase

Lediglich theoretische Überlegungen

Seite | XXVI

E Übersicht Literaturrecherche

Bezeichnung Kürzel Zündungsart Funktionsweise

Plasmazündung PZ eindringende Plasmawolke Mit Hilfe einer extrem schnellen Entladung und einem speziellen Zünder wird eine in den Brennraum eindringende Plasmawolke erzeugt, welche das Gemisch entzündet

Durchbruchzündung DBZ Hochspannungskonzept Primärkondensator wird mit Gleichspannung auf 600V aufgeladen  Durchschalten des Thyristors Entladung des Kondensators  entstehender Impuls auf der Sekundärseite von 40kV Durchschalten eines Thyristors/ Plasmazündung Standardkerze Hohlraumkerze 3-Elektrodenkerze

Railplug

Zündungsauslösung

Plasmastrahl

Verwendete Zündkerzen

spezieller Zünder in Zündervorraum

Vorteile

Senkung der Magerlaufgrenze

Liefert mehr thermische Funkenenergie zum Entflammungspunkt. Verringert den Vorzündbedarf Verbessert die Magerleuffähigkeit

Erhöhte Magerlaufgrenze Verbesserte Motorlaufruhe

Nachteile

Extrem hoher Energiebedarf. Hohe Bauteilbelastung bei der Erzeugung der Plasmawolke Lebensdauer des Zünders extrem kurz

Entnimmt der Batterie deutlich mehr Energie als TSZ Höhere NOx –Emissionen aufgrund der schnellen Verbrennung

Großer Aufwand und hohe Kosten für die Optimierung und Realisierung Im Vergleich zur herkömmlichen Zündung momentan geringere Lebensdauer des Zünders Höherer Energieaufwand

Magerlaufgrenze

λ = 1,54

Zündenergie

Eingesetzte Energie: 700mJ

Einsatzstadium

Es wird versucht diese Zündung serientauglich zu bringen

Plasmazündung In einem Hohlraum wird Funken Plasma gebildet welches das Gemisch entzündet.

elektromagnetische Kräfte Spezieller Zünder

Freigesetzte Energie 3 bis 15 mal höher als TSZ

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E Übersicht Literaturrecherche

Bezeichnung

Vorkammerzündkerze

Kürzel Zündungsart Funktionsweise

BPI Vorkammerzündung Voreinspritzung während des Einlasstaktes bewirkt ein homogen mageres Gemisch. Während des Verdichtens wird eine kleine Menge des Kraftstoffes in eine Kolbenmulde eingespritzt  Durch den Druckunterschied zwischen Brennraum und Vorkammer wird das Gemisch in die Vorkammer gesogen. Nach Zündung in der Vorkammer der Zündkerze werden die heißen Verbrennungsprodukte in den Brennraum beschleunigt. Herkömmlich

Zündungsauslösung Verwendete Zündkerzen Vorteile

Vorkammerzündkerze Zweigeteilte Einspritzstrategie Starke Verbesserung der Entflammung magerer Gemische im Teillastbereich. Positive Beeinflussung des Kraftstoffverbrauchs. Bei homogen mager betriebener Volllast: Reduzierung der Klopfgrenze.

Nachteile

Magerlaufgrenze Zündenergie Einsatzstadium

Vorkammerzündkerze mit Piloteinspritzung

Highspeedplasma

Piloteinspritzung in die Vorkammer der Zündkerze mit hochentzündlichem Kraftstoff oder Gas. Nach Zündung des Vorkammergemisches entzünden Flammenfackeln das Brennraumgemisch

Volumetrische Zündung mit vielen Flammenkernen für eine stabilere und zuverlässigere Zündung bei ungünstigeren Bedingungen im Brennraum.

Herkömmlich

Spannungsversorgung über Hochspannungspulsgenerator Highspeedplasma Zündkerze Kontrollierbare Raumzündung unter hohen Drücken bei geringerem Energieaufwand auch für magere Gemischbedingungen. Kürzerer Zündverzug Bessere Zündfähigkeit unter mageren Gemischzuständen

Vorkammerzündkerze mit Piloteinspritzung Erhöhung der Magerlaufgrenze Beschleunigung des Verbrennungsprozesses Verbrauchseinsparung Geringere NOx Emissionen, da nur in der Vorkammer die Voraussetzungen zur Bildung von NOx ideal sind. Zusätzlicher Aufwand und Kosten durch eigene Kraftstoffspeicherung

λ = 1,4 - λ = 1,7

Bis λ = 1,7[26]

Großgasmotoren

Großgasmotoren Seite | XXVIII

F Besprechungsprotokolle

F Besprechungsprotokolle

Seite | XXIX

G Angebote

G Angebote

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Quellen

Quellen [1] Adolf Schnorr GmbH: Tellerfedern - Katalog, Datenblatt http://www.hilz.de/hilzgmbh/maschinenbau/pdf/alles_auf_einen_blick_de.pdf Aktualisierungsdatum: 01.10.2013. [2] Böge, A.: Vieweg Handbuch Maschinenbau. Grundlagen und Anwendung der Maschinenbautechnik. 18.Auflage. Wiesbaden: Vieweg & Sohn Verlag, 2007. [3] Dassault Systemes: Tutorial Abaqus CAE 6.11.,Lehrlizenz Hochschule Karlsruhe,2013. [4] Eifler,W., et al.: Küttner Kolbenmaschinen. 7. Auflage. Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2009. [5] Frenzelit Werke GmbH & Co.KG: Novaphit sstc – Datenblatt. 2011. [6] Graf,J., et al.: Innovative Zündung. Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik Technische Universität Wien, Vorhaben Nr. 1008/06,2011. [7] Gross, V, et al.: Laserzündung und Verbrennung im Ottomotor mit Direkteinspritzung. In: MTZ 07-08/2010, Jahrgang 71. [8] Gross, V.: Untersuchung der laserinduzierten Zündung in einem Ottomotor mit Direkteinspritzung und strahlgeführten Brennverfahren. Band 2/2010. Berlin: Logos Verlag, 2010. [9] Grote, K.-H.,Feldhusen, J.:Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau. 21.Auflage. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 2005. [10]Heinz,Ch.: Untersuchung eines Vorkammerzündkonzepts für Großgasmotoren in einer Hochdruckzelle mit repetierender Verbrennung. Technische Universität München, Dissertation,2011. [11]Herdin, G., Herdin, R: Skriptum Grundlagen Gasmotoren. http://www.profges.com/lectures/Gasmotoren_Script_20120418.pdf - Aktualisierungsdatum: 09.10.2013 [12]Higgins, B., Davis, U.: Total combustion and theoretical oxygen. http://www.ekayasolutions.com/ech51/ECH51ClassNotes/TotalCombustion.pdf Aktualisierungsdatum: 03.04.2013 [13]Kettner, M., et al.: Ein neues Brennverfahren mit Mehrfacheinspritzung für Ottomotoren mit Direkteinspritzung. Technische Universität Graz: 9. Tagung. Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors. Graz 2003. [14]Kettner, M., et al.: Mikrowellenbasiertes Zündsystem für Ottomotoren mit Dierekteinspritzung und Stahlgeführtem Brennverfahren. In: MTZ 06/2006, Jahrgang 67. [15]Mall-Gleißle, S.: Skript zur Vorlesung Thermodynamik. Hochschule Karlsruhe, 2010. [16]Matek, W., et al.: Roloff/Matek Maschinenelemente. 13. Auflage. Wiesbaden: Springer Fachmedien, 1994. [17]MWI Micro Wave Ignition AG: Zündung im Verbrennungsmotor per Mikrowelle. http://www.mwi-ag.com/1/zuendung-verbrennungsmotor-mikrowelle/ Aktualisierungsdatum: 12.03.2013. [18]Olawsky, F.: Vorlesung Numerik partieller Differentialgleichungen. Hochschule Karlsruhe, 2013. [19]Pischinger, S., et al.: Einfluss von Zündung und Zylinderinnenströmung auf die ottomotorische Verbrennung bei hoher Ladungsverdünnung. In: MTZ 05/2002, Jahrgang 63. [20]Pohland, S., et al.: Untersuchung des Zündverhaltens verschiedener Brenntoffe mittels Hochgeschwindigkeits-Visualisierung für Motorenkonzepte mit Direkteinspritzung. Seite | XXXI

Quellen Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Fakultät 3 – Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaft, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe, Studienarbeit 12/2005. [21]Richtlinie 97/23/EG des Europäischen Parlaments und des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Druckgeräte. Vom 29. Mai 1997 (ABl. EG Nr. L 181 S. 1) zuletzt geändert am 29. September 2003 (ABl. EU Nr. L 284 S. 7) http://www.gaa.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/16489/2_14_1.pdf Aktualisierungsdatum: 10.04.2013. [22]Schulte, K.: Very light Jets und andere Luftfahrtthemen. Köln: K.L.S. Publishing, 2007. [23]Swagelok: Online Katalog http://www.swagelok.de/search/find_products_home.aspx?SEARCH=/search/Gerade+Stück e/id-10002045/type-1&item=20b6dcb5-5a04-42f1-9df7-a5d3fd3672c3 Aktualisierungsdatum: 01.10.2013 [24]Trelleborg AB: Wills Rings – Datenblatt 2008. [25]Umierski,M., et al.: Neue Motorkonzepte für erdgasbetriebene Fahrzeugmotoren. Wien: 23. Internationales Wiener Motorensymposium. Wien 2002. [26]Van Basshuysen, R.: Ottomotoren mit Direkteinspritzung. Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial. 3.Auflage. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2013. [27]VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC): VDI-Wärmeatlas. 10.Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag,2006.

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(A.1) (A.2) (A.3) (A.4) (A.5) (A.6) (A.7) (A.8) (A.9) (A.10) (A.11) (A.12) (A.13) (A.14) (A.15) (A.16) (A.17)

(1) (2) (3) (4)

Isochore ZÄ Q und Masse T3 Isochore ZÄ Druck Verbrennungsgleichung Luftmasse 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Vorspannung Sicherheit der Schrauben Sicherheit der Prüfkammerstruktur (Flächenpressung) Sicherheit der Prüfkammerstruktur (Zugspannungen)

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