Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren || Einfluss der externen Abgasrückführung auf die Rußemission

4 Einfluss der externen Abgasrückführung auf dieRußemission

Bis hierher wurde der allgemeine Stand der Technik berichtet, weiterführende

Ergebnisse dieser Arbeit werden im Folgenden erläutert.

Externe Abgasrückführung wird in Pkw-Dieselmotoren im Teillastbetrieb einge

setzt, in erster Motivation um die NOx-Emissionen im Abgas abzusenken. Bei

Erhöhung der rückgeführten Abgasmenge steigen die Konzentration der Schad

stoffe Ruß , HC und CO im Abgas an. Aufgrund dessen ist der über das Saugrohr

rückgeführte Abgasanteil begrenzt. Anhand von Untersuchungen an dem statio

nären Teillastbetriebspunkt 2000 U/min und 8 bar indizierter Mitteldruck werden

in diesem Kapitel die Vorgänge beim Anstieg der Konzentration der Rußemissi

on im Abgas bei einem zunehmenden Massenanteil XAGe1 an rückgeführtem

Abgas im Saugrohr experimentell dargestellt.

Die Versuche in Kapitel 4.1 sind mit dem Aggregat Nr. 2 durchgeführt worden;

die Versuche in Kapitel 4.2 mit dem Aggregat Nr. 1. Eine Beschreibung von

beiden Pkw-Einzylindermotoren kann dem Anhang I entnommen werden.

4.1 Einfluß der Stoffzusammensetzung des angesaugten Gasgemisches

In Kapitel 2 sind die Einflussgrößen auf die Rußoxidation aufgelistet, die in [2],

[8] und [9] betrachtet werden. Dabei gilt folgende Regel : nach Verbrennungs

ende stellt sich eine geringe Konzentration an Ruß im Abgas ein, wenn die loka

le Temperatur für die Rußoxidation ausreichend hoch liegt und der Sauerstoff,

stöchiometrisch betrachtet, lokal ausreichend vorhanden ist. Auf die Verände-

I XAGe [_I : Massenanteil an extern rückgeführtem Abgas im Saugrohr. X = mAGImAGe e g

mit mg [mglAS]: geströmte Gasmasse durch die Einlassventile pro Arbeit spiel

Die Methode zur Bestimmung von XAGe in dieser Arbeit ist im Anhang 5 ersichtlich.

40 Einfluss der externen Abgasrückführung auf die Rußemission

rung dieser zwei Größen ,lokale Verbrennungstemperatur' und ,lokales

Verbrennungsluftverhältnis' durch die externe Abgasrückführung wird in diesem

Abschnitt eingegangen.

Im rückgeführten Abgas befinden sich nicht vernachl ässigbare Konzentrationen

an dreiatomigen Molekülen, die eine höhere Wärmekapazität als zweiatomige

Moleküle besitzen. Der Sauerstoffgehalt im rückgeführtem Abgas liegt deutlich

unterhalb des Werts von Frischluft. Die daraus resultierende Veränderung der

Stoffzusammensetzung des angesaugten Gasgemisches wirkt sich auf die lokale

Verbrennungstemperatur und auf das lokale Verbrennungsluftverhältnis aus.

4.1.1 Herabsetzung der Verbrennungstemperatur durch den Abgasanteil

Das örtliche Luftverhältnis während der Verbrennung setzt sich aus dem Ver

hältnis zwischen der vorhandenen Sauerstoffmasse und dem stöchiometrischen

Sauerstoffmassenbedarf am Verbrennungsort zusammen. Bei gleichem stöchio

metrischem Sauersto ffmassenbedarf ist demnach das lokale Luftverhältnis der

örtlich vorhandenen Sauerstoffmasse proportional. Bei extern rückgeführtem

Abgas ist nach [7] der Sauerstoff im Brennraum bei geschlossenem Einlass ho

mogen verteilt . Bei homogener Verteilung des Sauerstoffs im angesaugten Gas

gemisch I und bei gleichen Einspritzbedingungen (Einspritzmasse, -zeitpunkt,

-druck und-düse) bewirkt die Absenkung der globalen zugeführten Sauerstoff

masse eine Herabsetzung des lokalen Luftverhältnisses. Um diesen Einfluss zu

zeigen, ist eine Variation des extern rückgeführten Abgasanteils bei konstantem

Ladedruck und konstanten Einsprit zparametern durchgeführt worden . Da bei

konstanter zugeführter Ansauggasmasse die Sauersto ff-konzentration und die

Sauerstoffmasse mit Erhöhung des Abgasanteils im gleichen Verhältnis abneh

men, reicht eine Variation des Abgasanteils bei konstantem Ladedruckniveau

nicht aus . Erst beim Vergleich verschiedener angesaugter Gasmassen kann eine

unterschiedliche Sauerstoffkonzentration bei gleicher zugeführter Sauerstoffmas

se dargestellt werden . Aus diesem Grund werden Abgasrückführratenvariationen

1 Das angesaugte Gasgemisch mg setzt sich hier aus Frischluft und rüekgeftihrtes Abgas zusammen.

m = m + mg LAGe

Einfluss der Stoffzusammensetzung des engesaugten Gasgemisches 4 1

bei drei zusätzlichen Ladedruckniveaus durchgeführt. Der Abgasanteil wird von

Null an schrittweise bis zur Überschreitung einer selbstdefinierten Russgrenze

von SZ= 1,2 FSN erhöht. In Abbildung 4.1 sind die Versuchsrandbedingungen

über den rückgeführten Abgasantei l X ,jü geze igt:

••; . ..

10 15

X ~[%]

-__ i .... ----.-+--

_ 018120 : Ladedruck=1200bar- "- ' 018121 : Ladedruck=13OObar··· ·.···014133 Ladedruck=145Obar

• 018123 Ladedruck=16OObar

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20

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10 15

X .<o. [%]

,,

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AGR·Varialion :n - 2000 Ulmin, pmi - 8 bar2x Voreinsplil2ungp,..,- 800bar

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...................., _..___________ _; i ~------------ ..---

5OO:\--:i-- + -:i- ..,j--:!o 250

~ 70

1800

~

i 1400 ,

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~ ..1!l. 60 •..(

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Abbil dung 4.1: Randbed ingungen der Abgasrückführratenvariationen

Unter stationären Betriebsbed ingungen 2000 Uzmin und 8 bar indizierter Mittel

druck sowie mit konstanten Einspritzparame tem wurde für vier verschiedene

Ladedruckniveaus eine Variation der Abgasrückfuhrra te bis zum starken Anstieg

der Konzentration von Ruß durchgeführt. Bei a llen Ladedruckvarianten sind für

die gesamte Varia tion der Abgas rückfiihrrate der Lade- und Abgasgegendruck


konstant. Dabei liegt der Abgasgegendruck systematisch 1,07-mal höher als der

Ladedruck. Die Beibehaltung dieses Verhältnisses ermöglicht zum einen einen

vergleichbaren Ladungswechselvorgang für alle Ladedrücke; zum anderen wird

ein positives Druckgefälle am Abgasrückführventil für die Strömung des Abga

ses im Saugrohr hergestellt. Bis vor der Mischstelle zwischen Luft und rückge

führtem Abgas wurde die frische Luft durch einen Ladeluftkühler auf 47 "C

konditioniert. Da das rückgeführte Abgas trotz Kühlung vor der Mischstelle

heißer ist als die frische Luft, nimmt mit steigender Abgasrückführrate die Gas

temperatur vor Zylindereinlass zu, siehe Abbildung 4.1. An der Mischstelle be

wirkt das rückgeführte Abgas , das heißer ist als die Frischluft, eine im Vergleich

zum Motorbetrieb mit reiner Frischluft thermische Drosselung des Luftstroms.

Aufgrund dessen stellt sich bei Abgasrückführraten größer 10 % ein Abnehmen

der Ansaugmasse im Vergleich zum Betrieb ohne Abgasrückführung ein. Zum

Beispiel beträgt die Abnahme bei 24 % Abgasrückführrate für den Ladedruck

1600 mbar in etwa 2,5 %. In Abbildung 4.2 sind beispielhaft an dem Zustand

ohne Abgasrückführung die Messsignale von Zylinderdruck, Ansteuerstrom des

Injektors und Leitungsdruck vom Rail zum Injektor für die vier Ladedrücke

gezeigt.

Einfluss der Stoffzusammensetzung des engesaugten Gasgemisches 43

Abbildung 4.2: ludizierkurven der Ladedruckvariation ohne Abgasrückführung

1000 Teillast n = 2000 Ulm in pmi = 8 bar. ohne Abgasrückführung H5

-c-

A!l. '" • '" ~~

800 . V " '" V \ 'V V '" ' 50

"v

• 061~_018.m

~ 800 -- 061~ 018.136 125c --a61~-0 1 ~.376

.~ -- a61~-0 1 8.:z61 -c-

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••••.. ··- 014133; PI2'3O/1\13 . P11"5 11~, MI'"-1 . p~1 ~5On'Car I p3' 1f>5Ombar 0

- _- 018123; P12' 3O/1\13 . P1101 5 11~, MI'"-1.5 , p2. 16C1On'Car I p3'HOCImbar 2~

' 00

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*o , • as

c . --c.5O o

<0 ..." ·20 c 20 " 60

Kurbelwinkel r KWj..

Anhand der Auswertung des Leitungsdruck- und Ansteuerstromsignals wird

ersichtlich, dass zum einen der Ruildruck auf 800 bar sowie Spritzbeginn und

dauer der Voreinspritzungen konstant gehalten wurden. Spritzbeginn und Spritz

dauer der Haupteinspritzung wurden angepasst, um den Schwerpunkt derVerbrennung auf gleiche Entfernung vom oberen Totpunkt und die Last von

8 bar indizierter Mitteldruck für alle eingestellten Messpunkte gleich zu halten.

Das höhere Zylinderdruckni veau im oberen Totpunkt mit höherem Ladedruck ist

durch die gleiche Verdichtung einer höheren engesaugten Gasmasse im Zylinderzu erklären. Die zwei Voreinspritzungen ermöglichen für alle Ladedrücke die

Einhaltung eines niedrigen Druckanstiegs nach Entzündung der Hauptverbren

nung. Dadurch werden die Unterschiede zwischen den vorgemischten Anteilen

der Verbrennungen bei den vier verschiedenen Ladedrücken gemindert.

Die Schwarzrauchwerte. im Abgas gemessen, sind im oberen Diagramm von

Abbildung 4.3 dargestellt. In der dreidimensionalen Darstellung der Schwarz-


rauchwerte (siehe oberes Diagramm) ist ein Anstieg der Werte sowohl bei Redu

zierung der Sauerstoffmasse als auch bei Reduzierung der Sauersto ftkonzentrati

on zu beobachten. In einer Arbeit zum Thema Sauerstoffanreicherung und Ab

gasrückführung [10] wird von einer starken Abhängigkeit der adiabaten

Verbrennungstemperatur von der Sauerstoftkonzentration des zugeführten Gas

gemisches und von einem zusätzlichen Einfluss der Konzentration von CO2 und

H20 im Ansauggemisch berichtet. Um den Einfluss der adiabaten Verbrennungs

temperatur auf die Rußemission zeigen zu können , muss das lokale Luftverhält

nis als konstante Randbedingung dargestellt werden . Für alle konstant zugeführ

ten Sauersto ffmassen ist im links unten stehenden Diagramm aus Abbildung 4.3

das gleiche Verhalten vom Schwarzrauch bei Absenkung des Sauerstoffgehalts

ersichtlich. Für Sauerstoftkonzentrationswerte nah an den 21 % von Frischlu ft ist

ein Plateau zu beobachten, das bei Senkung des Sauerstoffgehalts umso länger

besteht, je höher die zugeführte Sauerstoffmasse liegt. Bei einer weiteren Absen

kung des Sauerstoffgehalts entsteht bei allen verglichenen Sauerstoffmassen ein

linearer Anstieg der Rußemission.

Einfluss der Stoffzusammensetzung des engesaugten Gasgemisches 45

".."

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••0.35

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2--oimensiooalenScOOitl beO, -,-,l l<onslantem v 0, .Gemi5<:h ~

_ 18.5 %-1---1---1_ 19.0%

1:"1i1 19.5 %_+-1_ 20,0%:- _ 2<>.5%_ 21.0%

••21.0 120 130 1-10 150 160 170 1/10 19I1

"'0, ImglAS I19.0 19.5 aio 20.5

" 0, Gom_ 1%)

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cs

T__, _T---I 2-Dimensiooakm Schnitt

3.5 beO konsta ntem~ ~

+- --/- ---,1--1 - 130 rngIAS3.0 _ 140 rngIAS11::II 150 rngIAS

:---1_-1 _ 160 mglAS_ HO rnglAS_ l 60 rnglAS

.,18.0

~ 25

"

Abbildung 4.3: Verlauf der Russemissionswerte bei Veränderung der Sauerstoffkonzemration im angesaugten Gasgemisch

Der Anstiegsgradient liegt dann für alle Sauerstoffmassen auf ähnlichem Niveau.

Dieses Ergebnis zeigt, dass zusätzlich zu der globalen zugeführten Sauerstoff

messe. die Sauerstoffkonzentration auf die Konzentration der Rußemission imAbgas Einfluss nimmt. In [11] ist ein Zusammenhang zwischen der NOx

Absenkung und dem Sauerstoffanteil im Ansauggemisch aufgezeigt worden.

Eigene Ergebnisse bestätigen diesen Zusammenhang, siehe Abbildung 4.4.

46 Einfluss der exte rnen Abgasrückführu ng auf die Rußemission

"" r e uest n = 2000 Ufmin pm;" 8 bar I

i90 _ 018120 Ladadruck " 1200rnbar- ..- · 018121 Ladedruck = 1300mbar· · ··., · · ·014133 Laded ruck " 1450mbar

80 • 018123 Ladedruck = 1600mbar

NO, : NOx-W" " mit Abgasriic kfilhrung a I ;/...70 ..

(NO,) 0: NOx·Wert cöoe AbgasrU<;kfllhrung

~.d~

60 e- /"z 50 .....

/ /•90

,,,,~"f". ....

.....30 ,.•.•.•....•....2018.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.' 21.0

. 0, im Ansauggemisch l%J

Abbildung 4.4: NOx-Reduzlerungsrate bei Absenkung der Sauerstoffkonzen

tration im Ansanggemisc h

Die Werte des auf (NO,)o bezogenen NO, mit AbgasrückfLihrung aus den vierverschiedenen Ladedruckwerten liegen bei konstanter Saue rstoffkonzentration

im Artsauggemisch nahezu übereinander. Da die NO,-Entstehung nach dem

mehrfach durch Messergebnlsse bestätigten Mechanismus, der als ers tes von

Zeldovich [12] besc hrieben worden ist, mit der örtlichen Verbrennungstempera

tur zusammenhängt, ste llt dieses Ergebnis einen weite ren Beleg für einen Zu

sammenhang zwischen der Verbrennungstemperatur und dem Sauers toffgehalt

dar. In [10] wird gezeigt, dass die Absenkung des Sauerstoffgehalts bei konstan

tem örtlichem Luftverhä ltnis d ie ad iabate verbrennungstemperatur! zwar maß-

I Dic adiabatc Verbrennungstemperatur ist diejenige Temperatur, die sich nach dem vollständigenAblauf einer Verbrennung ergibt. wcnn da, Ga'gemiseh währcnd der Verbrennung keincrlei Wänncmit der Umgcbung ausgetauscht hat

Einfluss der Stoffzusammensetzung des angesaugten Gasgemisches 47

geblich herabsetzt, aber auch, dass die vorhandenen COz- und HzO-Moleküle

durch ihre höhere Wärmekapazität ebenfalls zur Absenkung dieser Temperatur

beitragen. Aus der Darstellung in Abbildung 4.4 kann eine gute Korrelation

zwischen der NOx-Reduzierungsrate und dem Sauerstoffgehalt interpretiert wer

den, ohne den Einfluss von COr und HzO-Moleküle auf die adiabate Yerbren

nungstemperatur zu berücksichtigen. Dieser Sachverhalt kann hypothetisch zwei

Ursachen haben:

1. Der Einfluss der Molekülen COz und HzO auf die Absenkung der

Flammentemperatur ist um eine oder mehrere Größenordnungen kleiner

als der Einfluss der Reduzierung der Sauerstoffkonzentration auf die

Yerbrennungstemperatur

2. Die Reduzierung der Flammentemperatur durch die COr und HzOMoleküle erfolgt in einem linearen Zusammenhang mit der Reduzie

rung der Yerbrennungstemperatur durch die Absenkung der Sauerstoff

konzentration

Um den Zusammenhang zwischen der Absenkung der Flammentemperatur und

der Konzentrationsänderung von Sauerstoff, COz und HzO zu ermitteln, werden

im Folgenden Berechnungen zur Ermittlung der adiabaten Yerbrennungstempe

ratur unter vergleichbarer Gaszusammensetzung wie bei den angesaugten Gas

gemischen im Versuch durchgeführt. Dafür muss zunächst die Stoffzusammen

setzung der jeweiligen Messpunkte bestimmt werden.

Ermittlung der Stoffkonzentration im angesaugten Gasgemisch:

In Abbildung 4.5 ist ein Diagramm für die Zusammensetzung der Stoff

konzentration im angesaugten Gasgemisch dargestellt:

(If/ .G bedeutet Konzentration von Stoff i im Gas)1 , OS


M g.....uckfuhrslrecl<e/ '1',-

~'

Einlass ,~-

/ /Motor

/ /'f' I ,hit 'P1.c._. 'P i ........ '1' ,-

..Abbildung 4.5 : Anderungen der Konzentration von Stoff i im Ansaugtrakt

Im stationären Betrieb g ilt folgende Bez iehung für das Ansauggemisch:

GI.4.1

Bei Umformung von InL und von m.~(k als Funktion von mj( undXAG~ ergibt sich:

; i,Gemisch = Si ,L1i{i . (t- XACJ + Si ,Abgas . X ACe GI. 4.2

GI. 4.3M

i

Der Übergang von Massenanteil auf Konzentration erfordert die Kenntni s der

Mo lmasse des betra chteten Stoffes und des Gasg emisches in dem es sich befin

det, wie zum Beispiel für das Abgas:

MAbgu .\'

Das Ersetzen der Massenanteile in Gleichung 4.2 ergibt:

M M M'l'i ,G . M i = 'l/i,L . Mi . (l-XACJ + 'l' i ,A . M i . X ACe

G L A

GI. 4.4


In [1] wird gezeigt, dass die Molmasse vom Abgas für die Verbrennung von

Dieselkraftstoff mit stöchiometrischem Luftüberschuss in Abhängigkeit vom

Luftverhältnis zwischen den Werten 28,7 und 28,9 kglkmol liegt. In [1] wird

ebenfalls ein Wert von 28,96 kg/kmol für die MoIrnasse der Luft angegeben.

Aufgrund des kleinen Unterschieds, der im Extremfall kleiner als 1 % bleibt,

wird für die Berechnung des Stoffgehalts folgende Vereinfachung getroffen:

M =M =MAbgas Luft .Gemisch

Nach Einsetzen dieser Vereinfachung ändert sich die Gleichung 4.4 wie folgt:

lfIi ,Gemisch = lfIi ,Abgas . X AGe + lfIi ,Luft . (I-XAGJ GI. 4.5

Für die Berechnungen von 'Pi.Gemisch nach Gleichung 4.5 werden in dieser Arbeit

folgende Gaskonzentrationen als Mischung idealer Gase für die Frischluft ver

wendet:

If/ ,r, = 0, 79N"LuJt

If/0 , ,Luft = 0,21

If/CO, ,Luft = 0

If/H° Luft = 0a , 'J'

Weil am Motorprüfstand eine konditionierte trockene Frischluft (relative Feuch

tigkeit kleiner als 1%) dem Motor zugeführt wird, ist die Vereinfachung

If/Wasserdampj;Lujt = 0 für diese Arbeit getroffen worden. Die anderen Stoffe wie COzund Argon aus der Luft werden für die Berechnungen ebenfalls vernachlässigt.

Für die Berechnungen von 'Pi.Gemisch nach Gleichung 4.5 werden folgende Verein

fachungen für das rückgeführte Abgas getroffen: alle Stoffe im Abgas mit einer

Konzentration kleiner als I % werden vernachlässigt. Somit setzt sich der rück

geführte Abgas aus folgenden Stoffen zusammen: Nz, Oz, COz und HzO. Die

Konzentration dieser Stoffe wird in der Abgasanalysenanlage gemessen und

50 Einfluss der externen Abgasrückfüh rung auf die Rußem ission

GI. 4.6

nachträglich um die kondensierte Feuc hte korrigiert . Näheres zu der Berechnung

der Feuc htekorrektur ist in [ I] zu finden. Die Zusa mmenhänge zwische n dem

Sauerstoffgehalt der Luft und dem Stoffgeha lt von O2, CO2 und H20 im Abgas

als Funkt ion von Luftverhältnis und Kraftstoffzusammensetzung und unter der

Vo raussetzung einer vollständ igen Verbrennung mi t einem Luftverh ältnis größer

oder gleich I sind in [ I] beschrieben. Die Zusammenhänge aus [1] für A::: I und

für vollständige Verbrennung sind im Fo lgenden aufgelistet :

IWo Ah",,, = \1'0 Lu'( . ( 1- -r )

2 ' ,., ' 2 ' l' Il.

IIf =\f/ ' - ' YCOl ,Ahgll," 0 2,LU/I A.

I'1' 2 ' (I - y )

. 4rmt y = 4+l/ j C

GI. 4.7

GI.4.8

GI. 4.9

In Abbildung 4.6 ist beispielhaft für IjJOl. A~<J' ein Vergle ich zwischen den Mess

erge bnissen und den mit Gleichung 4.6 berechneten Werten dargestell t.

,..

12'" .... ; r s

e:. 10

~~ "' ......'" Im 8

rr-,•E' _____ 18/20 l adedruck = 1200 mbar-c 60' --+- 18/21 l adedruck = 1300 mbars- • --+- 14/33 l adedruck = 1450 mbar

--..- 18/23 l adedruck 1600 mbar

2 -11- gemessen···0 ··· gerechnet mit GI. 4.6

0 ,0 5 10 15 20 25

XAGe (%)

Abbildung 4.6: Vergleich der gemessenen und gerechneten Werte

des Sauers toffgeha lts im Abgas


Setzt man den Inhalt von den Gleichungen 4.6, 4.7 und 4.8 in Gleichung 4.5 ein,

ergeben sich folgende Beziehungen für die Konzentration im Ansauggemisch:

(mit ljIC02 ,LlIjI = 0 und IjIH 20 ,LlIjI = 0)

IIf/O

2,Gemisch = If/O

2.Luft - X AGe . If/O

2.Luft . J:

1If/CO

2,Gemisch = X AGe . If/O

2.Luft . J: . Y

1If/H 0 Gemisch = X AGe . If/0 Lu'! . 1 . 2 . (1 - y )

2 ' 2' Ip A

4mit y = 4+H/C

GI. 4.10

G14.11

GI. 4.12

GI. 4.9

Nach diesen Gleichungen besteht folgender Zusammenhang zwischen der Ab

nahme des Sauerstoffgehalts und der Zunahme der COz- und HzO-Konzentration

im Ansauggasgemisch:

If/co Gemisch = y . (1jI0 Lu'! - If/0 Gemisch )2' · 2 ' Ip 2 '

If/H 0 Gemisch = 2 . (1 - y) . ( If/0 Lu'! - If/0 Gemisch)2 ,. 2 ' IJl 2 '

GI. 4.13

GI. 4.14

Bei gleich bleibendem Kraftstoff (y = konstant) hängt die Zunahme an COr und

HzO-Konzentrationen im Gemisch linear mit der Abnahme des Sauerstoffgehalts

im Ansauggemisch zusammen. Die mit GI. 4.10, 4.11 und 4.12 berechneten

Konzentrationen von Oz, COz und HzO im Ansauggasgemisch sind in Abbildung

4.7 gezeigt. Der Verlauf der Konzentration von Oz, COz und HzO in Abbildung

4.7 bestätigt die vorhergesagte Korrelat ion nach den Gleichungen 4.13 und 4.14

zwischen der Abnahme von lj!02 und der Zunahme von ljIC02 und IjIH 20 im

Ansauggemisch. Dieser Sachverhalt ist ein Indiz für die Gültigkeit von Hypothe

se 2, nach welcher die Abnahme der adiabaten Verbrennungstemperatur durch

die Zunahme der Konzentration von Molekülen COz und HzO im Gemisch mit

gleichem Faktor wie die Abnahme der adiabaten Verbrennungstemperatur durch

die Absenkung des Sauerstoffgehalts im Gemisch stattfindet

52 Einfluss der exte rnen Abgasrückführung auf die Rußemission

20.5

21.0

185

19 0 s:>

19.5

20,0 i' 00

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...,...;+i• i - ..i..

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acz

i re

i c

8 os>

000

Abbildung 4.7. Verlaufder Stoffkonzentration im Artsauggemisch über den

Abgasa nteil

Aufgru nd der im Verg leich zu O2 geringen Konzentrationen von CO2 und 1120

im Ansauggemisch kann Hypothese I aber nicht ausgesc hlossen werden. Um

diese Frageste llung zu beantworten, sind die Berechnungsergebnisse der adiaba

ten Verbrennungstemperatur für eine Gemisc h-zusammensetzung mit den drei

alomigen Molekülen HzO und CO2 wie im Versuch und für eine Gemischzu

sammensetzung ohne die Moleküle H20 und CO! (Konzentrationen bzw . Volu

menanteile werden durch N2 erse tzt) verglichen worde n. Die Berechnung der

adiabaten Verbrennungstemperatur ist mit einem lokalen Luftverhä ltnis von I

durchgefiihrt worden und fiir alle Berechnungen ist die gleic he Starttemperatur

von 900 K vorausgesetzt worden. Die verwendeten Enthalpietabellen stammen

aus JANAF-Tabellen der NASA [15]. Für Temperaturen über 2000 K ist eine

Korrektur der Tempera tur unter Berücksichtigung der Dissoziation von H20,

CO2, H2 und von O2 vorgenommen worden. Nähere Hinweise zur Berechnungs

methode können [1] entnommen werden. Die Ergebnisse der Berechnungen

sollen klären, ob der Einfluss der Temperaturabsenkung durch die Konzentration

von CO2 und H20 vernachlä ssigt werden kann. In Abbildung 4.8 sind die be

rechneten Werte zu sehen.

Einfluss der Stoffzusammensetzun g des engesaugten Gasgemisches 53

2540

g 2520· Anteil O2 :: 75 % ••,~ .:.+;; 2500• .. .,.• c, "".• E ++ ,l.= 1.0 und 0 = 100 bar~ • 2480•• ~ •• ",,+~ ~• c + Gemisch enthält C02 und, 2460H20 wie im Versuchc • +~c• 2440

" • Gemisch enthält keine C02~ + ca . +25% und H20 (ersetzt durch N2)

2420

0,18 0,185 0,19 0,195 0.2 0,205 0,21 0,215

Saue rstoffgehalt im Ansauggemisch [-]

Abbil dung 4.8: Einfluss der Konzentration der Moleküle CO2 und H20

im Ansanggemisch auf die adiaba te Verbrennungstemperatur

Bei konstantem Sauerstoffgehalt senken die COr und H20 - Moleküle die adia

bate Verb rennungstemperatur um ca. zusätzliche 25 % verglichen mit der Herab

setzung durc h den niedrigeren Sauers toffanteil. Der temperaturabsenkende Ein

fluss der COr und H20 - Moleküle kann somit nicht vernachlässigt werden. Wei

terhin bleibt über die Reduz ierung des SauerstotTgehalts der Gradient der quasi

linear verlaufenden Temperaturabsenkung konstant. Dies gilt mit und ohne Be4

rücksichtigung der COr und 1120 - Moleküle im Ansanggemisch. Dies kann

durc h den Zusammenhang zwischen der Abnahme von !pO! im Gemisc h und der

Zunahme von IfCO! und von lfIH!O im Gem isch, in Gleichung 4.13 und 4.14

dargestellt. erklärt werden. Die Erhöhung der Konzentration von CO2 und H20

im Ansauggemisch verhält sich demn ach im Verhältnis zur Frischlu ft linear

zusammen mit der Absenku ng des Sauerstoffgehalts im Ansauggemisch. Die

Absenkung durch den rückgeführten Abgasanteil der adiabuten Verb rennungs

temperatur im Vergleich zu Luft wird demzufolge über folgende Näherung wie

dergegeben:


Bei konstantem örtlichem Luftverhältnis:

adiabate Tv .X.mit. AGe

adiabate Tv L ,", UJI

G1.4 .l5

Über das Verhältnis des Sauerstoffgehalts im Ansauggemisch mit und ohne Ab

gasanteil (Frischluft) wird der zusätzliche Einfluss der höheren Konzentrationen

von COz und HzO auf die Absenkung der Flammentemperatur gleichzeitig wie

dergegeben. Am Motorprüfstand sind die Konzentrationen von Sauerstoff im

Ansauggemisch nicht gemessen worden . Da das Verhältnis von Sauerstoffgehalt

im Ansauggemisch mit und ohne Abgasanteil (Frischluft) nach Umstellung von

Gleichung 4.10 mit dem Luftverhältnis A und der Abgasanteil XAGe in folgender

Beziehung zusammenhängt,

If/0 2 ,Gemisch A- XAGe

AG1.4.16

werden die Werte von 'f/02, Gemisch aus den Messwerten von Abgasrückführraten

und von Luftverhältnis berechnet (Annahme für Luft: 'f/02, LlIft = 0,21).

4.1.2 Luftverhältnis AGf ür das Gemisch aus Luft und rückgeführtem Abgas

Nach dem Bilanzieren der Stoffkonzentration im Ansauggasgemisch und Im

Abgas kann eine Differenz zum Motorbetrieb mit reiner Luft festgestellt werden,

die den Einfluss des Abgasanteils auf die Verbrennung bei konstantem Luftver

hältnis aufzeigt. In Abbildung 4.9 ist beispielhaft für die Sauerstoffkonzentration

ein Flussdiagramm mit den zwei betrachteten Systemgrenzen ,ohne rückgeführ

tes Abgas' und ,mit rückgeführtem Abgas' dargestellt. Darin ist zu sehen, dass

aus der Mischung von rückgeführtes Abgas und von Luft sich im Ansaugge

misch eine andere Konzentration von Sauerstoff ergibt. Im Abgastrakt bleibt

jedoch die Konzentration von Sauersto ff vor und nach der Entnahme von Abgas

für die Rückführung im Saugrohr auf gleichem Niveau . Obwohl dem Verbren

nungsmotor nach Rückführung von Abgas ein Gasgemisch mit niedrigerem

Einfluss der Stoffzusammense tzung des engesaugten Gasgemisches 55

G1.4.17

Sauerstoffgehalt 'jI(h (J~",jsclr als der Luft zugeführt wird, ist der Sauerstoffgehalt

im Abgas im System mit rückgefLihrtem Abgas der gleiche wie der im System

ohne rückgeführtes Abgas. Die Abgasrüc kführstrec ke bzw. die Schleife inner

halb der Systemgrenze ohne Berücksichtigung des rückgeführten Abgases ist

von außerha lb dieses Systems nicht bemerkbar.

,------------------------------------ ---------------------, System ohne Berücksichti gung, des rückgeführten Abgases / '1'._

NJg_ud d" hrot ,s<h

I I !'I'o,.Gt.-. 'fo,.M094

..................................................................................1--- -- -- -- ----- -- -- -- -- -- -- ----- -- -- ---- ----------- -- -- -- -'

Abbildung 4.9: Verlauf der Sauerstoffkonzentration Im Ansaug traki

Nach Gleichung 4.6. im Kapite l 4. 1.1 aufgestellt, ist der Sauerstoffge halt im

Abgas eine Funktion des Luftverhä ltnisses A. und des Sauerstoffgehalts der Luft.

Im System mit rückgeführtem Abgas wird dem Motor durch das rückgefü hrte

Abgas zusätzlicher Sauerstoff zugeführt . Das Einlassluftverhältnis AI'.", das den

Sauersto ff aus der Abgasrückführung berücksichtigt, liegt bei rückgeführtem

Abgas höher als das Luftverhä ltnis, das nur den Sauers toff aus der Luft berück

sichtigt. Das Einlassluflverhältnis setzt sich wie folgt zusammen:

m +m m0 2.Lu/! 0 2,AGe 0 2,AGe

)..E = -'----:'m:----'-- = ).. + --=m'----0 2'.-1 °2,.>1

Hier stellt mO:.AGe die Sauerstoffmasse dar. die sich im rückgeführtem Abgas

je Arbeitsspiel befindet und mOl,sr ist die stöchiometrisch benötigte Sauerstoff-

56 Einfluss der externen Abgasrückführun g auf die Rußemission

masse. In [13] ist eine andere Fonnd zur Berechn ung von AEdargestellt. Aus

Gleichung 4.17 geht hervor, dass mit rückgeflihrtem Abgas das Einlassluftver

hältnis höhe r als das Luftverhältnis liegt. In Abbildung 4. 10 sind für den Versuch

.Ladedruckvariation", dessen Randbedingungen im vorigen Kapitel erläutert

sind, die Verläufe von Luftverhältnis und Einlassluftverhältnis über der Abgas

rückführrate aufgetragen. Dabei nehmen At: und A im Motorbetrieb ohn e Abgas

rückführurig denselben Wert ein, im Motorbelrieb mit Abgasrückführung neh

men sie untersc hiedliche Werte ein. Wenn das Luft verh ältnis A sich dem Wert I

annähert, verringe rt sich der Unterschied zwischen Al' und A.wei l dann im rück

geführten Abgas kaum Sauerstoff vorhanden ist. Die Luftverhä ltniswerte in die

ser Untersuchung liegen deutlich oberhalb von I, so dass das eben beschriebene

Verha lten nicht eintrifft.

2.80 ___._0 \ 8 20 l.ade<Yuc~ - 1200mbar---+-0\8_21 : t.a<le<rYck : 1300mbar--+-- 0 \ 4_33 Lad",*",,~ : 1450mb...

2.60 - • 018_23 l..adedruc k : 1600m bar

~ --- x . lufIverMltn"" 'U'" '"'- : EinlasSlu1lve<haltnis

2.40

~...... -......-....- ......

r-....2.20 =-t'-.-o-.. •

...o ..... ..:::::::~....

0: --.......::::0.... ..-« ~ ... .... " 'Co• •

2.00

~ ~ ··· 0 ............•o -~• " " " O" f';l,~

1.80•••.•••••- ••••-a::tl. . .. • .......

QJ.· ·· ·O ...... .... -.1.60

1.400 5 10 15 20 25

X,~ [%]

Abbildu ng 4.10: Verläufe von Luftverhältnis und Einlass luftverhältnis bei Ver

änderung der Abgasrückflihrrate

Fonn cl fUr die Rerechnung l: i n las~ l u fl vcrhälln i sscs au ~ [ 13]:


GI. 4.18

Wie der Abbildung 4.10 entnommen werden kann, nimmt AE, wenn Abgas zu

rückgeführt wird, automatisch einen höheren Wert als ;i ein. Im System mit

rückgeführtem Abgas kann der Sauerstoffgehalt im Abgas als Funktion von

Einlassluftverhältnis und Sauerstoffgehalt im Ansauggemisch bestimmt werden.

Der gleiche Sauerstoffgehalt im Abgas ljI02,A bgas kann demnach mit Größen aus

beiden betrachteten Systemen zusammengestellt werden.

AE-I ;i- IIf/ =If/ . ' - - = If/ . -02 ,Abgas 02 ,Gemisch A

E02 ,Luft A

Das höhere Einlassluftverhältnis im System mit rückgeführtem Abgas wird of

fensichtlich durch den niedrigeren Sauerstoffanteil im Ansauggemisch so kom

pensiert, dass am Ende der Verbrennung im Abgas der gleiche Sauerstoffanteil

wie beim Motorbetrieb mit frischer Luft vorhanden ist, wie in Abbildung 4.9

ersichtlich. Da das Luftverhältnis eine qualitative Beschreibung der Verbrennung

unter alleiniger Betrachtung der zugeführten Luft darstellt, existiert bei Motorbe

trieb mit extern rückgeführtem Abgas keine zufriedenstellende Korrelation zwi

schen dem Luftverhältnis und den Konzentration der Russemission im Abgas .

Gleiches gilt für das Einlassluftverhältnis, das zwar den im rückgeführtem Abgas

enthaltenen Sauerstoff berücksichtigt, aber den Einfluss der anderen Moleküle

wie COz, HzO auf die Verbrennung nicht einbezieht. Dieser Sachverhalt ist in

den Ergebnissen der Russkonzentration aus dem Versuch ,Ladedruckvariation '

in Abbildung 4.11 wiederzufinden.

Die ;i - Kurvenverläufe liegen bei konstanter Rußkonzentration, wie z.B. bei

SZ = 1,2 FSN, zum einen nicht übereinander und zum anderen vergrößert sich

die Abweichung mit zunehmendem Ladedruckniveau. Da bei größer werdendem

Ladedruck die Abgasanteile im Ansauggemisch für die gleiche Rußkonzentra

tion von SZ = 1,2 FSN steigen , kann ein Zusammenhang zwischen der sich dort

vergrößernden Abweichung der Luftverhältniswerte und des Abgasanteils im

Ansauggemisch hergestellt werden.

58

2.4

Einfluss der externen Abgasrückführung auf die Rußemissio n

.'\;c-__+__ --1 -e--018_20 : l adedruck = 1200mbarK 2'O I_~ ---+- 018 21: Ladedruck :: 1300mbarv, . _ 014- 33 : l adedruck = 1450mbar~ 1.6 't--l!: 41: ... __ 018_23: Ladedruck :: 1600mbar

~ ' .2 "\P ' -. ......-,~ 0_8 ...... b-::~'..c...".•-.;I_- - - - t-- - - +-- - - -1<!l 0.4+ - - --1l'-.-p---.··.....:.:.··1.:+:...·,,-o,·:--'-';::-- - :!-- - - 1... ~i -...--+.••..:A-;:'. .......

1.8 2.0

I. H2.2 2.4 2.6

2.4 ,-- - -,- - - ,-- - -,- - - ,-- - --,

~ 2 0 - \

~'6 y~...-t--f---+---I~ 1.2+-- - . •.•,1---- ....,-1----1-----1c .. •

t 0.8 .. ";- ···,,-·••-••----'' '1..,---.-+---1<I) I <, -. " L.;,--'C-"--j;:------1

0.4 . " .

1.8 2.0

I. ~ H2.2 2.4 2.6

Abb ildung 4.11: Schwarzrauchwerte über dem Luftverhältnis

und dem Einlass luftverhältnis dargestel lt

Im Kapitel 4. 1.1 ist gezeigt worden, dass der gesamte Einfluss des Abgasanteils

auf die Senkung der adiabaten Verbrennungstemperatur mit dem Verhältnis derSauerstoffkonzentration mit rückgeführtem Abgas zur Sauerstoffkonzentration

der Frischluft wiedergegeben wird. Bei der Bestimmung der Sauerstoftkonzentration im Abgas ist festgestellt worden, dass die Abnahme der Sauerstoffkon

zentration im Ansanggemisch die höheren Werte des Einlassluftverhältnisses

genau kompensiert. Aus diesen Feststellungen kann abgeleitet werden, dass die

Größe 'pChcem;" "J'IICh Lu/I sich als Einflussfaktor auf das Luftverhältnis eignet,wenn die Luft mit rückgeführtem Abgas gemischt ist.

Einfluss der Stoffzusammensetz ung des angesaugten Gasgemisches 59

GI. 4.19

lfI0 2 .Luft

lfI0 2 ,Gemisch

Dieser Sachverhalt wird bei folgender Darstellung von Gleichung 4.16 zusam

men mit Gleichung 4.18 deutlicher:

,1- 1

,1

,1E-1

,1E

Zusätzlich bringt die Gleichung 4.19 eme neue Größe ein : ,1

XAGe = ,1 . lfIÜ2,Gemisch / lfIÜM uft , die den Einfluss des Abgasanteils auf das Luft

verhältnis ,1 wiede rgibt. Im Folgenden wird das neue Luftverhältnis, Gasge

mischverhältn is AG, eingeführt, das den Einfluss von lfIÜ2,Gemisch/ lfIÜ2,Luft auf dasLuftverhältnis berücksichtigt.

lfI0 2 .GemischAG = ,1 . lfI

°2,Luft

GI. 4.20

In Abbildung 4.12 ist an dem gleichen Versuchsbeispiel der Verlauf von AGüber

die Abgasrückführrate aufgezeichnet.

2.4

2.2

2.0

:::!:.!!!

1.8E;ros:Gi 1.6>4=:J-l

1.4

1.2

~!=:= ~~-~-] ~.. .. .. .....

~..... r---..... ..•~.. .. .. .. .... .. .............. . ...

~..•........~~...

AGR-Variation :n =2000 U/min, pmi =8 barLadedruck =1450 mbar2x VoreinspritzungPrall =800 bar

1.0o 5 10 15

XAGe [%]20 25

Abbi ldung 4.12: Verg leich zwischen dem Luft- und dem Gasgemischverhältnis

60 Einfluss der exte rnen Abgasrückführung auf die Rußemission

Bei steigender Abgasrückführrate wird der Sauerstoffgehalt im Gemisch aus Luft

und rückgeführtem Abgas zunehmend niedr iger als der der Luft. Dadurch ver

größert sich der Unterschied von ~; zu 4. In Abbildung 4. 13 sind d ie Konzentra

tionswerte von Schwarzrauch aus dem Versuch .Ladedruckvariation• über dem

Gasgemischverhältnis k dargestellt. Die Kurvenverläufe von Schwarzrauch

liegen über Ac aufgetragen nahezu übereinander. Die Berücksichtigung des Ab

gasanleils durch den Faktor 1.fIÜ2,Gemisct!I.fIÜU uft für das Luftverhä llnis gibt

demnach das Verhalten der Russkonzentrat ion im Abga s für den Motorbetrieb

mit exte rner Abgasrückführung wieder.

2.4

1.6 1.8 2.0

AG H2.2 2.4 2.6

Abbildung 4.13: Schwarzrauchwerte über dem Gasgemischverhältnis Ac.Aufgetragen

4.2 Einfluss des Luftverhältnisses

Beim Verg leich der Luftverhältniswerte im Volllastbetrieb an der definierten

Rauchgrenze einerseits, und der Luftverhältniswerte im Te illastbetrieb mit Ab

gasrüc kführung bei gleic her Russkonzentration im Abgas wie an der Volllasl

anderse its, fallen die Werte der Teillast höher als die der Volllast aus . Da bei

Volllast kein Abgas zurüc kgeführt wird, stellt sich die Frage, ob d iese Ver

schlechterung bei Te illast durch einen negativen Einfluss der Abgasrückführung

Einfluss des Luftverhältnisses 61

auf die Russemission zustande kommt. Bei Volllast liegen Ladedruck- und Ein

spritzdruckniveau, die ebenfalls Einfluss auf die Russkonzentration im Abgas

nehmen, höher als bei Teillast. Dadurch kann der höhere Luftverhältniswert bei

Teillast nicht eindeutig auf den Abgasanteil im Ansauggemisch zurückgeführt

werden . Um den Einfluss des Abgasanteils im Ansauggemisch auf die Russemis

sion isoliert zu betrachten, sind zwei Luftverhältnisabsenkungen bei gleichem

Einspritzdruck- und Ladedruckniveau über zwei Variationswege durchgeführt

worden : der erste durch Rückführung von Abgas bei konstanter Last und der

zweite durch Einspritzmassenerhöhung ohne Abgasrückführung. Im ersten Ab

schnitt werden die Einflussparameter auf die Absenkung des Luftverhältnisses

durch Rückführung von Abgas in deren Einflussstärke definiert. Anschließend

wird aus dem Vergleich zwischen beiden Luftverhältnisabsenkungen eine Korre

lation an der definierten Russgrenze zwischen A im Motorbetrieb ohne Abgas

rückführung und AC gesucht.

4.2.1 Luftverh ältnisabsenkung durch Abgasrückführung undLastanhebung

Um die Unterschiede zwischen dem Betrieb mit reiner Luft und mit Abgasrück

führung bei gleichem Luftverhältnis experimentell darzustellen, wird folgender

Versuch durchgeführt: Unter Einhaltung gleichen Ladedruck- und Frischlufttem

peratumiveaus, gleicher Drehzahl, gleichen Einspritzdrucks und - beginns sowie

gleicher Voreinspritzungsparameter wird ausgehend von dem Betriebspunkt

n = 2000 U/min und pmi = 8 bar eine Absenkung des Luftverhältnisses durch

Erhöhung der Einspritzmenge der Haupteinspritzung realisiert. Da der Einspritz

druck und der Einspritzbeginn der Haupteinspritzung nicht verändert werden , ist

eine Massenerhöhung durch die Vergrößerung von dessen Spritzdauer erreicht

worden . Die Variation wird bis zur Überschreitung einer Russgrenze von

0,6 g/kg fuel (entspricht der Volllastrussgrenze SZ = 1,7 FSN an der Drehzahl

2000 U/min) durchgeführt. Als Vergleich ist unter vergleichbaren Auflade- und

Einspritzrandbedingungen bei 2000 U/min ausgehend von unterschiedlichen

Lastniveaus, zwischen A= 1,26 und A= 2,61, eine Luftverhältnisabsenkung

durch Rückführung von Abgas in das Saugrohr durchgeführt worden . Die Erhö

hung der Abgasrückführrate ist ebenfalls nach dem Überschreiten von einem

Russemissionsniveau von 0,6 g/kg fuel gestoppt worden. Die Druckverläufe der


Luftverhältnisvariationen durch extern rückgeführtes Abgas sind beispielhaft an

dem Luft verhältniswert bei Variationssta rt ohne Abgasrückflihrung in Abbildung

4.14 über Kurbelwinkel aufge tragen.

175

'"ras

~•e>0. ~

02~

rs •-es's,N

so

25

. 060

Kurven bei X_ " 0 %P..... " 800 bar1x Voreinspritzung

:l:E 20 ~~~~~:;~~_J-t!L.-;;:t---t-";~ 11

i °r - - -+- 7"""+ -'1, ..IJl"l-..---f----!"~

900

--965 0065 Variationsstart 1.. " 1,26--963:0848 Varialionsslart J,." 1.44- - 963_0276 ven enoosetert 1.. " 1.64

--963_0294 Variationsstart 1.." 1.82L - "'::+- - - --f- - - --f600 --963_o375 Vanal,onsslart 1.." 2.00 I

1

- - 963 0399 Vanal,onsslarl 1.." 2.20-- 963-0444 Vanahonsslart 1.. " 2,42

" -- 963:0337 Vanallonsstart J,." 2.61

020 +--__+--__+--__+--__+--__+--_----<-eo -40 -20 0 20 40

Kurbe lwinkel [OKWI

Abb ildung 4.14: Indizierkurven der Luftve rhältnisabsenkungen durchAbgasrückführung

Der Raildruck ist konstant auf 800 bar und der Ladedruck konstant auf

1450 mbar gehalten worden. Der Anste uerbeginn der Haupteinspritzung ist für

die Variationen mit niedrigeren Startluftve rhä ltniswerten früher gesetzt worden,

um den Verbrennungsschwerpu nkt auf gleicher Position zu halten und dadurch

einen vergleichbaren Verbrauch zwisc hen den Variationen darzustellen. Die

Ergebnisse von Russkonzentration im Abgas aus den Luüverhältnisabsenkungen

sind in Abbildung 4.15 ersichtlich:


.. ladedruck " ' 450mb.., la 'lOiLlfllOmp8rawr . JO 'C ",1P.....·&OO bat. l.vo.,,;nspnllung WvOtl.OTl 120~. I

J " , .' , " . :, ' :e e

\ \'~ --.~ ce j \vt \i ,'\ 1.~e e ,, ~\ \ '\-~

JJ" I" ,U "' ::K" \ "~~'h '

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" \ , ....., "~,..J:-......, ; . -. , ..~. .. "i .. oa• , ~~~~-.;,:..-", ....- _... , -' "

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q-) x...c..1%)..LuItY_n...t>oenkong~u'"" E~ ojeo-,_ruMon

~ 08B<onn_masso

'",... . --Q6617 , ABHE_ s.rnw allOPonl<'. ol'!ne AG.

~ 0 6 '.'LuItY_,n...t>oenkong ~u'"" oxtomo~utw...-.g

t~~;___ 965/ll , ABHE_ S.OOKW otm. AGo- "'M' " 1.26

i _ .._, 96J174 : ABHE_3.rn<W "", .. AGo : ",...-r" ' .44

I ", • "'!"• .,,,, · ··-.· ··96313~ ' ABHE- 3.0"';W "",.. AGo, ..,...-r" ' .'"

\ -,- __963/34 : ABHE. a O"';W ""'.. " Go-"'...-r" 1,82,

~;--~~; l ., _~_ 963/4 1. ABHE_ 2.rn<W ""'.. AGo- "'M' " 2.0

• ca , ... __963/43 : ABHE_ l.~"';W ""'.. M;o' "'M' " 2.2;~i.... _ ,~~.: . . _~_ · 963/47 ; ABHE- ' S KW "",.. AGo: "'...-r -~.42

----.--- 963/3tl , ABHE. 1 S.,.;W "",,,"Go- "'...-r .~61M .. " " " " .. " " " "

"GI-)

Abbildung 4.15: Russemissionsergebnisse der Luftverhältnisabsenkungen

Die Messpunkte in schwarz stellen die Luftverhältnisabsenkung bei Motorbe

trieb ohne Abgasrückführung dar, die restlichen Messpunkte gehören zu den

Variationen des Luftverhältnisses durch Zumessung von rückgeführtem Abgas

im Saugrohr. Aus den Ergebnissen der Luftverhältnisabsenkung durch Rückfüh

rung von Abgas im Saugrohr können folgende Beobachtungen festgehalten wer

den:

• Alle Luftverhältniswerte bei Erreichung der Rossgrenze liegen oberhalb

des Luftverhältniswerts an der Russgrenze beim Motorbetrieb ohne Ab

gasrückführung.

• Je höher das Startluftverhältnis liegt, desto weiter kann die Abgasrück

führrate bis zur Erreichung der gleichen Russgrenze (hier bei

0,6 glkg fuel) erhöht werden .

• Je höher der Abgasanteil bei Erreichung der Russgrenze, desto höher

der dortige Luftverhältniswert.


• Je höher der Abgasanteil bei Erreichung der Russgrenze, desto höher

die Abweichung des dortigen Luftverhältniswertes zum erreichten Luft

verhältniswert ohne Abgasrückführung.

• Die Kurvenverläufe der Russemission über dem Gemischluftverhältnis

konvergieren an der Russgrenze zu einem gemeinsamen Luftverhält

niswert, der nahezu auf dem Niveau des Wertes der Luftverhältnisab

senkung durch Einspritzmassenerhöhung liegt.

Diese Ergebnisse sind mit dem ersten Einzylinderaggregat in der Basiskonfigura

tion ermittelt worden. Eine Beschreibung von Aggregat Nr.1 kann dem Anhang

1 entnommen werden. Sie zeigen ein Verhalten auf, das den Ergebnissen der

Untersuchung am Aggregat Nr.2 vergleichbar ist. Zusätzlich deutet das nahezu

gleiche Niveau von AGund A an der Russgrenze auf eine physikalische Korrela

tion hin. Eine solche Korrelation aufzuzeigen setzt als erstes eine vollständige

Beschreibung der Faktoren voraus, die auf die Reduzierung des Luftverhältnisses

bei Rückführung von Abgas Einfluss ausüben.

Da eine Absenkung grundsätzlich ausgehend von emem Startwert stattfindet,

zählt der Luftverhältnisstartwert A Start zu den einflussnehmenden Parametern.

Eine Änderung von A Start kann nur über zwei Wege stattfinden: zum einen über

die Veränderung der zugeführten Luftmasse und zum zweiten über die Verände

rung der zugeführten Brennstoffmasse. Die Rückführung von Abgas, das heißer

ist als die Luft im Saugrohr, führt zu einer thermischen Drosselung des Luftmas

senstroms und bewirkt trotz der Steigerung der Fließgeschwindigkeit durch hö

here Gastemperatur eine Absenkung des Gesamtmassenstroms bei höher wer

dender Abgasrückführrate. Eine Methode zur Bestimmung der Ansaugmasse ist

im Anhang 5 erläutert. lst die Ansaugmasse mg bestimmt, ersetzt die rückgeführ

te Abgasrnasse die Luftmasse um den Anteil XAGe• Insgesamt wird durch die

Abgasrückführrate XAGe die Luftmasse, die je Arbeitsspiel angesaugt wird, um

folgenden Faktor reduziert:

mL,mitX

AGe

mL,ohneAGe

mg ,mitX

AGe

mL ,ohneAGe

. (1- X AGe)GI.4.21


Zusätzlich zur Luftmassenreduzierung wird unter Berücksichtigung konstanter

Last die zugeführte Brennstoffmasse durch die Rückführung von Abgas in das

Saugrohr verändert. Der Abgasanteil im Ansauggemisch führt zu einer Absen

kung des Wirkungsgrades des Verbrennungsprozesses, so dass für die Einhal

tung einer konstanten Last eine höhere Brennstoffmasse zugeführt werden muss .

Für die Reduktion des Luftverhältnisses durch Rückführung von Abgas ist je

Arbeitsspiel folgender Faktor ebenfalls zu berücksichtigen:

Korrektur

mB,Start

Brennstoffmasse = --mB,X

AGe

GI. 4.22

GI. 4.23mB,X

AGe

mB ,Start--- . (1 - X AGe)

mL ,ohneAGe

A=AStart

Das Luftverhältnis unter Berücksichtigung aller genannten Einflussfaktoren setzt

sich dann wie folgt zusammen:

mg ,X

AGe

In Abbildung 4.16 sind aus dem Versuch die Verläufe von Aunter Berücksichti

gung der Einflussfaktoren ,Ansaugmassenreduktion' und ,Einspritzmassenerhö

hung' auf die Reduzierung des Luftverhältnisses durch R ückführung von Abgas

über die Abgasrückführrate dargestellt. Bei 30 % Abgasr ückführrate liegt die

Größenordnung der Einspritzmassenerhöhung durch Verbrauchsanstieg bei ca.

5 %. Die Abnahme des Gesamtmassenstroms für 30 % Abgasrückführr ate liegt

ebenfalls um die 5 %. Die Berechnung von A nach Gleichung 4.23 liefert nahe zu

die gleichen Resultate wie die Messwerte. Dies zeigt , dass alle Einflussfaktoren

berücksichtigt werden.

Wird das A in Gle ichung 4.20 durch die Faktoren aus Gleichung 4.23 ersetzt,

dann kann für AG folgende Beziehung gewonnen werden:

mg,X

AGe

mL,ohneAGe

m If/B,Start 0 2,Gemisch

m . (1 - X AGe ) ' If/B'XAGe ° 2,Luft

GI. 4.24

66

2.8

Einfluss der externen Abgasrückführung auf die Rußem ission

2.4

co-: 1.8

1.6 - ,

"12

--

/ " 1.26/ = 1.44>.. ..0<1 = 1.64x = 1.82}' = 2.0} = 2.2}.010<1 = 2.42I...... = 2.61

40

Abb ildung 4.16 . Verlaufe des Luftve rhältniswerts über Abgasrück fuhrrate fur

die Luüverhältnisabsenkungen durch Rückführung von Abgas im Saugrohr

Beim Vergleich bei gleichem Luftver hältnis zwischen der eingesp ritzten Brenn

stofTmasse bei einer Luftverhältn isabsenkung durch Abgasrückführung und der

Brennstoffmasse mit einer l.uftverhältnisabsenkung ohne Abgasröckführung ,

kann für hohe Abgasanteile im Ansauggemisch ein Unterschied bis zu mehr als

100 % der Einspr itzmasse mit dem Moto rbetrieb ohne Abga srückrückführung

festge ste llt werden. In Abb ildung 4.17 ist d ies für zwei ausgewä hlte Messreihen

mit und ohne Abgasrückführung dargestellt.

Die Beobachtung aus Abbil dung 4.15 zeigen, dass k und A bei Erreichung der

Russgrenze nah beie inander liegen, und die Ta tsache, dass an der Russgrenze die

augesaugte Gasmasse In;.: in etwa 5 % kleiner als die angesaugte Luftmasse liegt,

erfordert nach Gleichung 4.24 eine Kompensat ion an der Russgre nze des Ein

spritzmassenunrerschleds über dem Einfluss des Abgasanteils in folgender Be

ziehung:

mB,x,,'"

mB.RIIßgren::"

mg,x" <i<

mtstart

GI. 4.25

Einflus s des Luftverhältnisses 67

966 / 7 : Luttverhältnisebsenkunqdurch Erhöhung der Einspritzmasse(ohne Abgasrückführung , Motorlast steigt)

•••••• .. 963 / 47 : l uftverhältnisabsenkungdurch Abgasrückführung(Abgasrückführung steigt , Motorlast = konstant)

45

40 --Csi; '0" "35 <,UJs 30cn i'E- t-,

m 25 - + 107 % <,E

I ...........20 ~. • •••• ...~••••• .....

A Rußare ze ••... - A Start15XAGe steigt

10·1

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8AI-I

Abbildung 4.17: Unterschiede In der zugeführten Brennstoffmasse zwischen

den zwei durchgeführten Luftverhäitnisabsenkungen

mB, R"_~'!>:"'n;e stellt die zugeführte Brennstoffmasse im Motorbetrieb ohne Abgas

rückführeng und InB" \A& die Brennstoffmasse im Motorbetrieb mit Abgasri.ick

fLi hrung an der Russgrenze dar. In Abbildung 4.18 ist aus den Ergebnissen der

untersuchten Luftverhältnisabsenkungen durch Rückführung von Abgas im

Saugrohr ausgehend von unterschiedlichen As1" " das Verhältnis der Einspritz

massen an der Russgrenze über den vermuteten Faktor eingezeichnet.

6S Einfl uss der externen Abgas rückführung auf die Rußemission

" )( l_bdIt(SIa~) . 1,09

. 1,211,

. 1,«

• 1,,,,", •:;:

I0.' . 1,8. 0

. 2.00 0

• 2,20 .E 0.' •- •2,., •I .

. 2,61 .• 0.'

E

0'

0c ., •• •• •• ,

"(rng , ~ .Go I mL. ..... ' * ( 1 - X. Go ) · ( 'VO:z,Gemisch I VO' ,Luft I (-]

Abb ildung 4.18: Verhältn iswerte der zugefuhrten Brennsloffmassen an der Ruß

grenze der Luftverhältnisabsenkungen mit und ohne AbgasrückfLihrung über

dem Einflussfa ktor des Abgasanteils aufg etra gen

Die Messpunkte können durch eine lineare Trend linie approx imiert werden, die

der Näherung 4.25 entspricht. Der physikalische Hintergrund des auf der X

Achse dargestellten Faktors wird wie folgt interpret iert:

• (mg,XAü.JmL.Sl.n)*( l -X,fG~) stel lt den Red uzierungsfaktor des Luftverhä lt

nisses durch Luftmasse-absenkung dar.

• Ij!OY ;"m,,,,I! lfl(h Luji stellt den Einfluss der Reduzierung der Flammen

temperatur durch den Abgasanteil bezogen auf dem Motorbetrieb mit

Frisch luft dar.

Aufgrund des Rückgangs des Luftaufwands bei Rückführung von Abgas in das

Saugrohr ist für steigende AbgasrückfLihrraten zu erwa rten. dass flIg. mi lX,W ,' klei

ner als m L>SIur/ wird. Aus d ieser Erkenntnis kann der Zusammenhang zwischen 4

und ~ an der Rossgrenze hergestellt werden.


Bei Einsetzen der neu gefundenen Beziehung 4.25 in Gleichung 4.24 kann AG

wie folgt ausgedrückt werden :

,.1, =,.1,G, Rußgrenze start

mB,start

m«-«;

mB ,mitX

AGe

mB ,Rußgrenze

GI. 4.26

GI. 4.27mB ,Rußgrenze

A =AG ,Rußgrenze start

Nach kürzen von m s, mitXAGe ergibt sich folgende Beziehung für AG:

mB, start

Um den Zusammenhang zwischen AG und A an der Russgrenze ermitteln zu

können, wird folgende Beziehung benötigt :

m m ,.1,B ,Start L ,Start Rußgrenze GI. 4.28

mB,Rußgrenze

mL ,Rußgrenze

,.1,Start

Nach Einsetzen in Gleichung 4.27 ergibt sich folgende Beziehung zwischen

AG,Rußgrenze und ARußgrenze:

A = ,.1,G ,Rußgrenze Rußgrenze

mL ,Start

mL ,Rußgrenze

GI. 4.29

Es ist zu erwarten, dass m L,Russgrenze kleiner als muse« ist, da die Abgastemperatur

bei niedrig erem Luftverhältnis höher liegt und die höhere Abgastemperatur den

Ladungswechsel erschwert. Die Größenordnung und ein Vergleich der Auswir

kungen der beschriebenen Einflussfaktoren auf den Luftaufwand für den Ver

such zur Luftverhältnisabsenkung sind Abbildung 4.19 zu entnehmen.

Das Luftverhältnis AStart stellt das Ausgangsluftverhältnis dar, an dem die Abgas

rückftihrratenvariation gestartet wurde . Der Einfluss der Luftaufwandabsenkung

durch die thermische Drosselung der Abgasrückftihrung, in schwarz dargestellt,

ist leicht stärker als die Luftaufwandabsenkung durch Steigerung der Abgastem-


peratur beim Motorbetrieb ohne Abgasrück führung. in rot dargestellt. Dadurch

liegt k. R"ßg,... ,,:~ bei höher werdendem ASJ",.,.-Wert um den Faktor

"'g.milYA. (je I "'I" Rup/:,v""e. in Blau eingezeichnet, leicht unte rha lb von ARlojig,"",,:r'

1.02

:!: 1.00 •• • I'-o •c ••~ 0.98 •••= •0~

<11 0.96•-e~ •c~ 0.94 • m

9,mitXAGe I mL,Slarluc • r'~

~ 0.92 • rnL,Start ( rnL,Russgrenze

• m9,mitXAGe I ml ,Russgrenze i

0.901.0 1.2 1.4 1.6 1." 2.0 2.2 2.4 2.6 2."

}..St~r1 I-lAbb ildung 4.19: Veränderung der engesaugten Gasmasse n über ASI<Ir/

4.2.2 Bestimmung des Luftverhältnisses an der Rußgrenze

Der Luftverhältniswert an der Rußgrenze be im Moto rbetrieb mit Abgasrückfüh

rung zu ermitteln ist gleic hzuset zen einer Vorausbestimmung der einsetzbaren

Abgasrückführrate bis zum Erreichen der Rußgrenze für bekannten Wert von

ASl<lt1. Wobei die Gültigkeit der Bestimmung von X 4Cie in dieser Arbeit mit einer

Messung des Luftverhältnisses geprüft wird. Ersetzt man .1<; in Gleichung 4.24

durch Gle ichung 4.29, so kann folgender Zusammenhang zwischen A.I't""h X 4(;e

und AR'4!Km ,:e erstellt werden:

mg.XA';"

m[,.<;,"'.


Da in Abbildung 4.19 festgestellt werden kann , dass der durch m L,Star/mL,Rußgrenze

erbrachte Unterschied innerhalb der Untersuchungen unter 1,5 % geblieben ist,

wird dieser Faktor für die Berechnung von XAGe vernachl ässigt.

Nach Vernachlässigung von m L'Star/mL,Rußgrenze in Gleichung 4.30 kann XAGe über

die Formel 4.31 berechnet werden .

X AGe

m mA B,Start g ,XAGe AStart m m RujJgrenze

B ,XAGe L ,Start

m mA B ,Start g, X AGe + 1Start m m

B ,XAGe

L ,Start

GI. 4.31

Da mB,XAGe nur über eine komplexe Verbrennungssimulation bestimmt werden

kann , wird in dieser Arbeit ein empirischer Ansatz verwendet. In Anhang 6 ist

der Faktor m B' Star/mB,XAGe für alle untersuchten Luftverhältnisabsenkungen über

dem Abgasanteil XAGe dargestellt. Somit kann festgestellt werden , dass alle Wer

te an der Rußgrenze zwischen 0,945 und 0,975 liegen . Da die meisten Werte um

den Wert 0,965 liegen und da die Streuung trotz Veränderung von AStart innerhalb

von +0,01 und - 0,02 liegt, wird dieser Wert für die Berechnung von XAGe über

nommen.

m g,mitXAGe!mL,Start wird ebenfalls über einen empirischen Ansatz ermittelt. In An

hang 6 kann festgestellt werden , dass quasi unabhängig vom Astart-W e r t der Fak

tor m g,mitXAGe!mL,Start linear mit der Zunahme von XAGe abnimmt. Aus den Messpunkten kann eine lineare Approximation erstellt werden , die den Wert I an

nimmt, wenn XAGe den Wert °hat:mg ,X

AGe

mL ,Start

= 1- 0, 15 · X AGeGI. 4.32

Somit ergibt sich für XAGe folgende quadratische Beziehung :

X AGe' · 0, 965· 0, 15 - X AGe . [1+A.Start ·0 ,965-(I+O,15)J + A.Start ·0,965 - A.Rußgrenze = 0

GI. 4.33

72 Einfluss der externen Abgasrüc kfüh rung auf die Rußemission

Die Gleichung 4.33 liefert zwe i reelle l ösungen. Die zweite Lösung, die kleinere

Werte in der Größenordnung des bekannten Wertebereichs für die AGR-Raten

liefert. wird in dieser Arbeit verwendet. ).R,,p~ffn:e wird a ls bekannt vorausges etzt

und beträgt I,09 in dem Versuch. Die auf diese Weise berechnete Abgasrück

führrate bis zur Erreichung der Rußgrenze (im Versuch definiert auf

0,6 glkg fue l) sind in Abbildung 4.20 über 4 Sfw i dargestellt zu sehen.

" • ge rechnete XAGe,Rußgrenze mit GI. 4.33<=:- 40•, • gemessene XAGe,Rußgrenzeu,~ 35

~~

'"~ 30

" •~ 25c •• •~~ 2D, •"'~ 15

t~ 10• •0<

X 5

0 •1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8

ASlart [-)

Abb ildung 4.20: Erreichte Abgas rückführrare an der de finierten Russgrenze

von O.6g1kg fuel bei den untersuchten Luftverhältnisse AS1"'!

Die gerechneten und gemessenen Werte weisen einen ähnlichen Verlauf über

AS1"r! auf und liegen nah beieinander. Die Abweichung in der Voraussage von

X:~G~ beträgt maximal 2,5 %. Eine weiterführende Überprüfung der berechneten

Abgas rückführrate wird durch einen Vergleich zwischen dem berechneten Luft

verhältniswert und dem gemessenen Luftverhältniswert erre icht. Nach Gleichung

4.30 lässt sich A'''i IX''G~.Rußx''''':~ als Funktion von k,R"px"''':~ und X:~ Gt- darstellen.


Wird zusätzlich -4;,Rußx"' /lOe durch den funktionalen Zusammenhang mit A RIIßw e/lOe

erse tzt, bekommt man folgende Beziehung (unter Vernachlässigung von

111/,,5/,," 111L,R"fJ;.:....~:e) :

GI. 4.34

ARIIßwe,,:e wird als bekannt vorausgesetzt und beträgt 1,09 in dem Versuch, X ,lGe

wird nach Gleich ung 4.33 berechnet. Die Ergebnisse der Berechnung von

A"',/.rAGe.R,IjJ;.:..../lOe sind in Abbildung 4.2 1ers ichtlich.

-; 1.5

I. %,u,~

'a,w 1.' •0 •"• •Nc•Cl 1.3~, •'" •••e •:z: 1.2

•N •c• •~ -.es 1.1 • gemessene )'mitXAGe,Rußgrenze

'"~ • gerechnete AmrtX Ge,Rußgrenze mit GI. 4.34<

~~ 1.0

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8

}'SWI HAbbildung 4.2 1: Erreic hter Luftverhältniswen mn rückgeflihrtem Abgas an der

definierten Russgrenze bei den untersuchten Ausgangs luftve rhältnisse As,,,,,

Zwischen den berechneten und den gemessenen Werten kann eine gute Übere in

stimmung festgeste llt werden. Bei hohen As/"" -Werten liegen die berechneten

Werte leicht unterhalb des gemessenen Niveaus. Als Ursache dafür ist die Ver-


nachlässigung von m L,Star/mL,Rußgrenze für die Berechnung der Abgasrückführrate

zu finden ,

Als Ergebnis ist die Abhängigkeit der möglichen Abgasrückführrate vom Aus

gangs-luftverhältnis dargestellt. Je höher das Ausgangsluftverhältnis ist, desto

mehr kann Abgas zugemischt werden, bis die Russgrenze erreicht ist. Dies ist

physikalisch einsehbar, da durch die Zumischung des Oz-armen Abgas das Ge

misch angefettet wird, Das heißt bei einem stoechiometrischen Ausgangsge

misch bewirkt die Abgaszumischung sofort ein fettes Luftverhältnis . Die gefun

dene Korrelation für die Rußgrenze kann mit den Messwerten gut validiert wer

den,

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Einspritzdruck bei modernen PKW-Dieselmotoren || Einfluss der externen Abgasrückführung auf die Rußemission