Zylinderdruckbasierte Detektion und Simulation der Klopfgrenze mit einem verbesserten thermodynamischen Ansatz

Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen, Bd. 4/2002

Ralph Worret

ISBN 978-3-8325-0233-1
151 Seiten, Erscheinungsjahr: 2003
Preis: 40.50 €

Die Verbesserung der Teillastwirkungsgrade ist eines der Ziele der heutigen Ottomotorenentwicklung. Einem Teil der hierfür notwendigen Maßnahmen werden durch die motorschädigende klopfende Verbrennung bei höheren Motorlasten allerdings enge Grenzen gesetzt. Bei der Suche nach dem Optimum zwischen klopffreiem Motorbetrieb und maximalem Wirkungsgrad für eine Motorkonfiguration (konstruktions- und betriebspunkt-abhängig) kann ein thermodynamisch formuliertes Klopfkriterium einen entscheidenden Beitrag liefern. Dabei soll es die Wirkweise motorischer Einstellgrößen und variierbarer Betriebsparameter auf die Verschiebung der Klopfgrenze in Kombination mit der rein thermodynamischen nulldimensionalen Modellrechnung korrekt wiedergeben. Die Beschreibung der reaktionskinetischen Vorgänge im Endgas geht dabei auf die Formulierung des integralen Zündverzuges zurück. Mit der Verfügbarkeit eines solchen Modelles können Simulationsrechnungen zur Potentialabschätzung einzelner Regelstrategien bereits in der Konzeptphase der Motorenentwicklung zu Aussagen führen, die eine effektivere und effizientere Gestaltung des späteren Versuchsbetriebs zulassen. Darüber hinaus lassen sich Variationen durchführen (z.B. Brenndauer-, Brennverlaufsformänderung), die im Experiment nicht einfach zu realisieren sind und ihre Auswirkungen innerhalb einer thermodynamischen Arbeitsprozeßrechnung studieren.

Zur Erstellung einer Meßdatenbasis diente als Versuchsträger ein gemischansaugender 6-Zylinder Ottomotor. Aufgrund der geforderten hohen Reproduzierbarkeit der Meßdaten wurde der Prüfstand vollkonditioniert ausgeführt und der Versuchsträger hoch- wie niederdruckseitig indiziert. Die Meßdatenbasis umfaßt Einzelparametervariationen hinsichtlich Drehzahl, Ansaugtemperatur, Luftverhältnis, Restgasanteil, Verdichtung und Kraftstoff. Für alle Variationspunkte wurde der Zündzeitpunkt schrittweise vom Grundzündwinkel im nicht klopfenden Betrieb bis zur Klopfgrenze und darüber hinaus verstellt. Insgesamt standen für die Modellentwicklung ca. 1700 Betriebspunkte zur Verfügung, wobei 142 Punkte die Klopfgrenze beschreiben. Die Ermittlung der Betriebspunkte auf der Klopfgrenze fand mit einer eigens entwickelten Klopfdetektions-methode statt. Die auf dem hochpaßgefilterten Heizverlauf basierende Methode reagiert dabei sensitiv bereits für schwach klopfende Arbeitsspiele, erlaubt für unterschiedliche Signalcharakteristika eine möglichst exakte Bestimmung des Klopfbeginns und verfügt über betriebspunktunabhängige Rechenparameter.

Auf Basis der identifizierten Betriebspunkten an der Klopfgrenze und thermodynamischer Voruntersuchungen wurde, ausgehend von den Untersuchungen nach Franzke, ein verbesserter empirischer Ansatz zur Beschreibung eines thermodynamisch formulierten Klopfkriteriums erarbeitet. Dabei gehen mit Ausnahme des Luftverhältnisses lediglich globale Verbrennungsgrößen in die charakteristischen Modellgrößen ein, die selbst wiederum von den Motor- und Betriebspunktdaten abhängig sind. Dies verhilft dem neuen Ansatz zu einer besseren Allgemeingültigkeit und schränkt dessen Einsatz nicht auf die Variationsbreite der in dieser Arbeit betrachteten Betriebsparameter ein. Um innerhalb der Simulationsrechnung nicht auf eine unpraktikable Klopfen "Ja/Nein-Aussage" beschränkt zu bleiben, wurde eine Möglichkeit erarbeitet, die die Aussage einer Klopfwahrscheinlichkeit im Sinne einer Klopfhäufigkeit zuläßt. Zur Quantifizierung der Abhängigkeit der Modellabstimmung von den verwendeten thermodynamischen Untermodellen kamen als Berechnungsgrundlage sowohl das vereinfachte und reale Zweizonenmodell als auch zwei unterschiedliche Gleichungsansätze zur Berechnung der instationären Wandwärmeverluste zum Einsatz. Für den untersuchten Versuchsträger konnte mit dem neu formulierten Ansatz letztlich die Klopfgrenze für einen Großteil des Parameterkennfeldes mit einer Güte von +/- 2°KW, bezogen auf den Zündzeitpunkt, bestimmt werden.