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Abstrakt

Diagnose der Verbrennung von wasserhaltigem Ethanol in einem Ottomotor

Caio H. Rufino, Waldyr LR Gallo und Janito V. Ferreira

Durch die Bewertung der Verbrennungsdauer und der Flammenentwicklung ist es möglich, die Auswirkungen der Verwendung eines neuen Kraftstofftyps zu bewerten. Dies ermöglicht eine Optimierung der Betriebsparameter wie Zündzeitpunkt, Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Drosselklappenöffnung im Hinblick auf Effizienz, Klopfen, Emissionen und Leistung. In dieser Arbeit wurde die Verbrennung eines brasilianischen wasserhaltigen Ethanolkraftstoffs in einem kommerziellen Flexfuel-Motor bewertet. Die Untersuchungen wurden durchgeführt, indem eine Wärmefreisetzungsanalyse der experimentellen Daten durchgeführt und Verbrennungseigenschaften ermittelt wurden. Das experimentelle Design umfasste Variationen von Motordrehzahl, Last, Zündzeitpunkt und Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter mageren Bedingungen. Die Ergebnisse zeigten die Beziehung zwischen den Motorparametern und den Verbrennungseigenschaften unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen und identifizierten die Beziehung zwischen den physikalischen Eigenschaften der Kraftstoffe und ihrer Verbrennung im kommerziellen Motor. Bei hoher Motordrehzahl wies die magere Verbrennung eine ähnliche Dauer auf wie die stöchiometrische Verbrennungsdauer. Beim Vergleich der für den wasserhaltigen Ethanol mit der Benzinverbrennung erzielten Verbrennungseigenschaften waren die Hauptunterschiede eine geringere Anfälligkeit für Klopfgeräusche und eine kürzere Verbrennungsdauer, obwohl die Temperatur zu Beginn der Verbrennung bei Ethanol niedriger war. Zusätzlich zur kürzeren Verbrennungsdauer wies Ethanol einen niedrigeren Wert für den Wiebe-Exponenten auf. Die aus den Verbrennungsdauerwerten und Wiebe-Funktionsparametern erhaltenen Ergebnisse ermöglichen die Zusammenstellung eines Datensatzes, der für eine vereinfachte Verbrennungssimulation erforderlich ist. Die Verbrennungsdiagnose ist ein leistungsfähiges Instrument
, das bei Verbrennungsmotoren eingesetzt wird und mithilfe eines thermodynamischen Ansatzes Informationen zu den Verbrennungseigenschaften liefert. Sie wird anhand des gemessenen Zylinderinnendrucks durchgeführt, da dies die am leichtesten zugängliche thermodynamische Eigenschaft im Zylinder ist.1 Die Auswirkungen der Verbrennung auf den Zylinderinnendruck können von anderen Phänomenen wie Blow-by, Wärmeübertragung, innerer Energieänderung und Arbeit isoliert werden.2 Die Ausgaben des Verfahrens werden als Profile der scheinbaren Wärmefreisetzung (AHR) und der Wärmefreisetzungsrate (HRR) bezeichnet. Der Verbrennungsbeginn (SOC), das Verbrennungsende (EOC) und andere sekundäre Parameter wie die Verbrennungsdauer, Zündverzögerung und Verbrennungsform können aus dem AHR-Profil abgeleitet werden.
Daher ist es möglich, diese Analyse durchzuführen, um die Auswirkungen von Motorkonstruktionsparametern wie Kolbengeometrie, Verdichtungsverhältnis und Ventilsteuerung sowie Betriebsparametern, die während des Motorbetriebs ständig von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) angepasst werden, wie Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Zündzeitpunkt und Last, auf die Verbrennung zu bestimmen. Aus dem HRR-Profil lassen sich auch die Auswirkungen jedes getesteten Parameters auf die Verbrennungsphasen verstehen, insbesondere die Flammenentwicklungsphase (normalerweise die Phase, bis 10 % des Kraftstoffs verbrannt sind), die Schnellbrennphase (verbrannter Kraftstoff liegt zwischen 10 % und 90 %) und die Abschreckphase.3 Es wurde viel Forschung zu Ottomotoren (SIs) betrieben, und es ist möglich, den verbrannten Massenanteil (MFB) aus dem AHR-Profil abzuleiten, wenn man die eingeschlossene Masse im Zylinder und den Energiegehalt des Kraftstoffs kennt, und so einen Wert für den Anteil des verbrannten Kraftstoffs entlang des Motorzyklus zu erhalten. Andere Methoden können die Verbrennung anhand eines detaillierteren und mikroskopischeren Ansatzes charakterisieren. So können zum Beispiel Flammenwachstum, -struktur und -geschwindigkeit in optischen Motoren oder geschlossenen Behältern gemessen werden, um die Wirkung bestimmter Parameter auf die Verbrennung zu erhalten
,
zum Beispiel das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 5, die Verdünnungsmittelkonzentration 6 und die Temperatur.7 Solche Analysen können auch verwendet werden, um Vergleiche zwischen verschiedenen Kraftstoffarten anzustellen 8,9. Die Wirkung der kombinierten Variation vieler Parameter innerhalb der breiten Betriebsbedingungen eines Motors zu bestimmen, kann jedoch eine schwierige Aufgabe sein. Daher ist die Verbrennungsdiagnose immer noch ein verlässliches Instrument zur Charakterisierung der Verbrennung und kann, basierend auf einem eher theoretischen Ansatz, parallel zu diesen Methoden verwendet werden. Außerdem kann die Verbrennungsdiagnose Daten für datenbasierte MFB-Modelle zur Motorsimulation liefern. Die am häufigsten verwendete Korrelation zur Beschreibung des MFB-Profils ist die Wiebe-Funktion.10 Daher wurden in mehreren Studien zur Verbrennungsdiagnose die Verbrennungseigenschaften bewertet, indem die Parameter der Wiebe-Funktion an den untersuchten Fall angepasst wurden.