Zylinderdruckbasierte Detektion und Simulation der Klopfgrenze Mit Einem Verbesserten Thermodynamischen Ansatz

Die Verbesserung der Teillastwirkungsgrade ist eines der Ziele der heutigen Ottomotorenentwicklung. Einem Teil der hierfur notwendigen Massnahmen werden durch die motorschadigende klopfende Verbrennung bei hoheren Motorlasten allerdings enge Grenzen gesetzt. Bei der Suche nach dem Optimum zwischen klopffreiem Motorbetrieb und maximalem Wirkungsgrad fur eine Motorkonfiguration (konstruktions- und betriebspunkt-abhangig) kann ein thermodynamisch formuliertes Klopfkriterium einen...
More Description

Die Verbesserung der Teillastwirkungsgrade ist eines der Ziele der heutigen Ottomotorenentwicklung. Einem Teil der hierfur notwendigen Massnahmen werden durch die motorschadigende klopfende Verbrennung bei hoheren Motorlasten allerdings enge Grenzen gesetzt. Bei der Suche nach dem Optimum zwischen klopffreiem Motorbetrieb und maximalem Wirkungsgrad fur eine Motorkonfiguration (konstruktions- und betriebspunkt-abhangig) kann ein thermodynamisch formuliertes Klopfkriterium einen entscheidenden Beitrag liefern. Dabei soll es die Wirkweise motorischer Einstellgrossen und variierbarer Betriebsparameter auf die Verschiebung der Klopfgrenze in Kombination mit der rein thermodynamischen nulldimensionalen Modellrechnung korrekt wiedergeben. Die Beschreibung der reaktionskinetischen Vorgange im Endgas geht dabei auf die Formulierung des integralen Zundverzuges zuruck. Mit der Verfugbarkeit eines solchen Modelles konnen Simulationsrechnungen zur Potentialabschatzung einzelner Regelstrategien bereits in der Konzeptphase der Motorenentwicklung zu Aussagen fuhren, die eine effektivere und effizientere Gestaltung des spateren Versuchsbetriebs zulassen. Daruber hinaus lassen sich Variationen durchfuhren (z.B. Brenndauer-, Brennverlaufsformanderung), die im Experiment nicht einfach zu realisieren sind und ihre Auswirkungen innerhalb einer thermodynamischen Arbeitsprozessrechnung studieren. Zur Erstellung einer Messdatenbasis diente als Versuchstrager ein gemischansaugender 6-Zylinder Ottomotor. Aufgrund der geforderten hohen Reproduzierbarkeit der Messdaten wurde der Prufstand vollkonditioniert ausgefuhrt und der Versuchstrager hoch- wie niederdruckseitig indiziert. Die Messdatenbasis umfasst Einzelparametervariationen hinsichtlich Drehzahl, Ansaugtemperatur, Luftverhaltnis, Restgasanteil, Verdichtung und Kraftstoff. Fur alle Variationspunkte wurde der Zundzeitpunkt schrittweise vom Grundzundwinkel im nicht klopfenden Betrieb bis zur Klopfgrenze und daruber hinaus verstellt. Insgesamt standen fur die Modellentwicklung ca. 1700 Betriebspunkte zur Verfugung, 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 fur schwach klopfende Arbeitsspiele, erlaubt fur unterschiedliche Signalcharakteristika eine moglichst exakte Bestimmung des Klopfbeginns und verfugt uber betriebspunktunabhangige 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 Luftverhaltnisses lediglich globale Verbrennungsgrossen in die charakteristischen Modellgrossen ein, die selbst wiederum von den Motor- und Betriebspunktdaten abhangig sind. Dies verhilft dem neuen Ansatz zu einer besseren Allgemeingultigkeit und schrankt 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" beschrankt zu bleiben, wurde eine Moglichkeit erarbeitet, die die Aussage einer Klopfwahrscheinlichkeit im Sinne einer Klopfhaufigkeit zulasst. Zur Quantifizierung der Abhangigkeit der Modellabstimmung von den verwendeten thermodynamischen Untermodellen kamen als Berechnungsgrundlage sowohl das vereinfachte und reale Zweizonenmodell als auch zwei unterschiedliche Gleichungsansatze zur Berechnung der instationaren Wandwarmeverluste zum Einsatz. Fur den untersuchten Versuchstrager konnte mit dem neu formulierten Ansatz letztlich die Klopfgrenze fur einen Grossteil des Parameterkennfeldes mit einer Gute von +/- 2KW, bezogen auf den Zundzeitpunkt, bestimmt werden.