Gemischbildung von Diesel-Mischkraftstoffen bei variabler Düsengeometrie und Einspritzstrategie

Cárdenas, Maria; Kneer, Reinhold

doi:5186

Gemischbildung von Diesel-Mischkraftstoffen bei variabler Düsengeometrie und Einspritzstrategie = Mixture formation of diesel fuel blends with variable nozzle geometry and variable injection strategy

Cárdenas, Maria (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maria José Cárdenas Ovalle

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangVIII, 135 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-01-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51865
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444990/files/5186.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dieselkraftstoff (Genormte SW) ; Ottokraftstoff (Genormte SW) ; Alternativkraftstoff (Genormte SW) ; Zerstäubung (Genormte SW) ; Einspritzdüse (Genormte SW) ; Einspritzung (Genormte SW) ; Voreinspritzung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mischkraftstoff (frei) ; Einspritzstrategie (frei) ; Nacheinspritzung (frei) ; Sprühstrahl (frei) ; spray (frei) ; nozzle (frei) ; fuel blends (frei) ; injection (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZL 2740 * ZL 5500

Kurzfassung
Neben der Weiterentwicklung und Verbesserung des konventionellen Dieselbrennverfahrens verspricht ein anderes Verbrennungskonzept, die sogenannte homogene kompressionsgezündete (HCCI) Verbrennung, gleichzeitig Stickoxid- und Ruß-Emissionen zu verringern. In einem HCCI-Motor verbrennt ein homogenes Gemisch aus Luft und Kraftstoff, wobei die Selbstzündung gleichzeitig im gesamten Brennraum beginnt. Die größten Herausforderungen des HCCI-Verfahrens bei höheren Lastbereichen sind die Kontrolle des zeitlichen Ablaufs der Zündung und Verbrennung und die Homogenisierung von Kraftstoff, Luft und zurückgeführten Abgasen vor der Selbstzündung. Der Einsatz von speziellen Kraftstoff-Zusammensetzungen könnte dazu beitragen, diese Herausforderungen zu überwinden. Der Widerstand gegen Selbstentzündung von Kraftstoffen mit geringer Cetanzahl kann für einen ausreichenden Zündverzug sorgen, um Luft und Kraftstoff hinreichend zu mischen. Ebenso kann die Mischungsrate des Luft-Kraftstoffgemisches aufgrund einer schnelleren Verdunstung durch erhöhte Volatilität gesteigert werden. Darüber hinaus sind eine geeignete Düsengeometrie oder passende Einspritzsteuerung potentielle Strategien, um die Regelung und den Betriebsbereich der HCCI-Verbrennung zu erweitern. Die Zielsetzung der vorliegenden Dissertation ist die experimentelle Untersuchung von Kraftstoffmischungen mit geringer Cetanzahl und hoher Volatilität in einer Hochdruckkammer bei variabler Einspritzstrategie und variabler Düsengeometrie und deren Einfluss auf die Gemischbildung. Dafür werden Einspritzdruck- und Massenstromverläufe, makroskopische Charakteristiken des Sprühstrahles und die quantitativen Parameter Tropfengrößen und -geschwindigkeiten gemessen. Die zu untersuchenden Kraftstoffmischungen setzen sich zum einen aus Ethanol und Dieselkraftstoff und zum anderen aus Benzin und Dieselkraftstoff zusammen. Bei der Untersuchung der variablen Einspritzstrategie wird die Interaktion von zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen betrachtet. Hierbei wurde eine Doppeleinspritzstrategie verwendet, um die Kombination einer Vor- und Haupteinspritzung, einer gleichgeteilten Haupteinspritzung und einer Haupt- und Nacheinspritzung zu erfassen. Um den Einfluss einer variablen Düsengeometrie auf die Gemischbildung zu analysieren, wurde eine asymmetrische Anordnung der Einspritzlöcher in einer sogenannten Cluster-Konfiguration ausgewählt. Dabei sind zwei Spritzlöcher mit einem variablen divergenten Winkel eng nebeneinander gruppiert. Durch Verwendung des Diesel-Mischkraftstoffes wurde sowohl bei der variablen Einspritzstrategie als auch bei der variablen Düsengeometrie eine Verbesserung der Gemischbildung bezogen auf die Verringerung der gemessenen Tropfenanzahl festgestellt. Der Einsatz dieser Maßnahmen führt bei der HCCI-Verbrennung zur Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses. Bei der variablen Einspritzstrategie werden die gemessenen Abweichungen zwischen Einfach- und Doppeleinspritzungen von der Phasenlage der im System erzeugten Druckwelle stärker beeinflusst als durch die Interaktion zwischen den Einspritzungen. Bei der Cluster-Konfiguration lieferte eine Düse mit einem 10° divergenten Clusterwinkel die feinste Zerstäubung aller untersuchten Düsen und generiert eine adäquate räumliche Verteilung des Kraftstoffes aufgrund der, entsprechend der Breite, angemessen kurzen Eindringtiefe. Dies kann für HCCI-Verbrennungsverfahren zur Verringerung der HC-Emissionen führen. Schließlich lässt sich zusammenfassen, dass die in dieser Arbeit betrachteten Maßnahmen dahingehend erfolgversprechend sind, den Arbeitsbereich des HCCI-Verbrennungs-verfahrens zu erweitern.

In addition to the continuous development and improvement of the conventional diesel combustion process, the so-called homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion is a promising combustion concept that intents to simultaneously reduce NOx and soot emissions. In this process a homogeneous mixture of air and fuel is burnt, in a way that the ignition starts at the same time throughout the combustion chamber. The main challenges of the HCCI combustion at high load are the control of the ignition timing and combustion and the homogenization of air, fuel and recirculated exhaust gases before the ignition begin. The use of specific fuel compositions could help to overcome these challenges. The resistance to auto-ignition of fuels with low cetane number can increase ignition delay and therefore provide sufficient time for air and fuel to mix homogenously. Also, the increase of volatility can improve the air-fuel mixture rate due to quick evaporation. Moreover, choosing a suitable nozzle geometry or a matching injection strategy are potential approaches to enhance the control and expand the operation window of HCCI combustion. The objective of this thesis is to experimentally study the influence on the mixture formation of fuel blends with low cetane number and high volatility with variable injection strategy and variable nozzle geometry in a high pressure chamber. Therefore the injection pressure and mass flow rate, macroscopic spray characteristics and quantitative parameters like droplet size and velocity are measured. The investigated fuel blends consist of a mixture of ethanol and diesel fuel and a mixture of gasoline and diesel fuel. The multiple injection strategy implemented here is a double-injection. This injection strategy simulates the interaction between a pilot injection and a main injection, a split main injection and finally a main injection and a post injection. The delay between injections will be varied for all kinds of double-injection. To investigate the influence of variable nozzle geometry on the mixture formation, an asymmetric arrangement of the injection holes was chosen in a so-called cluster configuration. Two injection holes are closely grouped with variable divergent angles between them. Using the diesel fuel blends the mixture formation was improved by varying the nozzle geometry as well as the injection strategy, which was indicated by a reduced number of droplets. Employing these strategies leads to homogenization of the air- fuel ratio of the HCCI combustion process. For varying injection strategies the measured differences between single and double injections are stronger dependent on phase shifts of shock waves generated in the injection system than on the interaction between two consecutive injections. For varying nozzle geometries, a nozzle with a 10° diverging angle between sprays provides the finest atomization of all investigated nozzles and generates an adequate spatial distribution of the fuel. This is achieved by a shorter penetration and therefore increased spray width. This can lead to reduced hydrocarbon emissions in HCCI combustion. Finally, it can be summarized that the measures considered in this work are promising to extend the operation range of the HCCI combustion process.

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