Verbrennungsprozess im Diesel-Motor

Abb. 20.1. Arbeits-Diagramm eines Diesel-Motors mit Einspritzung von n-Heptan beim Luftverhältnis λ = 1,2 (Volllast). Die Bohrung d beträgt 79,5 mm, der Hub s = 95,5 mm, das Verdichtungsverhältnis ε = 19,5 und die Drehzahl n = 2500 U/min. Zylinderfüllung beim Druck p = 0,949 bar und der Temperatur t = 67,9 °C. Der indizierte Wirkungsgrad beträgt η_i = 48,18 %, das indizierte Drehmoment je Zylinder M_i = 43,37 Nm, der indizierte Mitteldruck p_i = 11,495 bar, die Einspritzdauer Δφ = 35° und der Einspritzbeginn φ = 25° vor OT. Die innere Abgasrückführung bedingt durch das Schadvolumen ist AGR = 5 %. Berechnung nach David G. Goodwin mit dem Programm Cantera. Die Reaktionskinetik der Kohlenwasserstoffe stammt vom Lawrence Livermore National Laboratory (Heptane Detailed Mechanism Vers. 3.1) und die Stickstoffkinetik vom Gas Research Institute (GRI-Mech 3.0). Der Reibmitteldruck wurde Urlaub, A.: Verbrennungsmotoren. Bd. 1, korrigierter Nachdruck Berlin: Springer 1990 entnommen.

Abb. 20.2. Indikator-Diagramm mit Druck p und Temperatur T als Funktion des Kurbelwinkels φ im Dieselmotor der Drehzahl n = 2500 U/min und des Luft- verhältnisses λ = 1,2 (Volllast). Die Einspritzung beginnt φ = 25° vor OT mit der Einspritzdauer Δφ = 35°. Siehe Abb. 20.1 für weitere Angaben.

Abb. 20.3. Reaktionsumsatz im Dieselmotor der Drehzahl n = 2500 U/min und des Luftverhältnisses λ = 1,2 (Volllast). Die Einspritzung beginnt φ = 25° vor OT mit der Einspritzdauer Δφ = 35°. Zu beachten ist, dass der Stoffmengenanteil von N₂ mit 10 dividiert ist und die Stoffmengenanteile von NOx, Heptan und HC mit 10 multipliziert sind. Siehe Abb. 20.1 für weitere Angaben. 

Abb. 20.4. Indikator-Diagramm mit Druck p und Temperatur T als Funktion des Kurbelwinkels φ im Dieselmotor der Drehzahl n = 800 U/min und des Luftver- hältnisses λ = 6,7 bei Leerlauf. Zylinderfüllung beim Druck p = 0,995 bar und der Temperatur t = 28,3 °C. Der indizierte Wirkungsgrad beträgt η_i = 28,11 %, das indizierte Drehmoment je Zylinder M_i = 5,388 Nm, der indizierte Mitteldruck p_i = 1,428 bar, die Einspritzdauer Δφ = 5,4° und der Einspritzbeginn φ = 10° vor OT. Die innere Abgasrückführung bedingt durch das Schadvolumen ist AGR = 5,1 %. Siehe Abb. 20.1 für weitere Angaben.

Abb. 20.5. Reaktionsumsatz im Dieselmotor nach Abb. 20.1 und 20.4 der Drehzahl n = 800 U/min und des Luftverhältnisses λ = 6,7 bei Leerlauf. Zu beachten ist, dass die Stoffmengenanteile von O₂ und N₂ mit 10 dividiert und die Stoffmengenanteile von Heptan und HC mit 10 multipliziert sind. NOx tritt nicht auf.

Abb. 20.6. Indikator-Diagramm wie in Abb. 20.4, doch mit Luftvorwärmung und geänderter Einspritzzeit zur Reduzierung der Rußemission (Leerlauf bei der Drehzahl n = 800 U/min und dem Luftverhältnis λ = 7,0). Zylinderfüllung beim Druck p = 0,995 bar und der Temperatur t = 54,8 °C. Der indizierte Wirkungsgrad beträgt η_i = 32,6 % und der Einspritzbeginn φ = 20° vor OT. Siehe Abb. 20.1 für weitere Angaben zum Motor.

Abb. 20.7. Reaktionsumsatz im Dieselmotor nach Abb. 20.1 und 20.6 der Drehzahl n = 800 U/min und des Luftverhältnisses λ = 7 bei Leerlauf. Zu beachten ist, dass die Stoffmengenanteile von O₂ und N₂ mit 10 dividiert und die Stoffmengenanteile von Heptan und HC mit 10 multipliziert sind. NOx tritt nicht auf.

Abb. 20.8. Indikator-Diagramm mit Druck p und Temperatur T als Funktion des Kurbelwinkels φ im Dieselmotor der Drehzahl n = 2500 U/min, des Luftverhältnisses λ = 1,2 und der äußeren Abgasrückführung AGR = 65 % bei Nulllast. Zylinderfüllung beim Druck p = 0,949 bar und der Temperatur t = 222,5 °C. Der indizierte Wirkungsgrad beträgt η_i = 41,91 %, das indizierte Drehmoment je Zylinder M_i = 8,83 Nm, der indizierte Mitteldruck p_i = 2,341 bar, die Einspritzdauer Δφ = 18,2° und der Einspritzbeginn φ = 20° vor OT. Die effektive massenbezogene Abgasrückführung ist AGR = 66,3 %. Siehe Abb. 20.1 für weitere Angaben zum Motor.

Abb. 20.9. Reaktionsumsatz im Dieselmotor nach Abb. 20.1 und 20.8 der Drehzahl n = 2500 U/min, des Luftverhältnisses λ = 1,2 und der äußeren Abgasrückführung AGR = 65 % bei Nulllast. Zu beachten ist, dass der Stoffmengenanteil N₂ mit 10 dividiert und die Stoffmengenanteile von Heptan und HC mit 10 multipliziert sind.

Abb. 20.10. Einstellung des Drehmomentes M (Leistung: P = 2 π M n) durch das Luftverhältnis λ für den Motor nach Abb. 20.1 mit der Drehzahl n = 2500 U/min. Weitere Angaben sind der Wirkungsgrad η, die eingespritzte Brenn- stoffmasse m und die spezifischen Emissionen E von CO und NOx. Die jeweilige Einspritzung beginnt 20° vor OT, die Einspritzdauer ist Δφ = 36°/λ. Das angenommene Reibmoment je Zylinder beträgt M_R = 8,82 Nm (Reibmitteldruck: P_R = 2,34 bar).

Abb. 20.11. Einstellung des Drehmomentes M (Leistung: P = 2 π M n) durch äußere Abgasrückführung AGR für den Motor nach Abb. 20.1 bei konstantem Luftverhältnis λ = 1,2 und der Drehzahl n = 2500 U/min. Weitere Angaben sind der Wirkungsgrad η, die eingespritzte Brennstoffmasse m und die spezifischen Emissionen E von CO und NOx. Die jeweilige Einspritzung beginnt 20° vor OT, die Einspritzdauer ist Δφ = 30°/(1+AGR). Das angenommene Reibmoment je Zylinder beträgt M_R = 8,82 Nm (Reibmitteldruck: P_R = 2,34 bar).

Abb. 20.12. NOx-Messwerte für den Diesel-Motor mit der Bohrung d = 106 mm, dem Hub s = 127 mm, dem Verdichtungsverhältnis ε = 17 und der Drehzahl n = 1400 U/min nach Karra, P. K.: Parametric study and optimization of diesel engine operation for low emissions using different injectors, Dissertation, Iowa State University (2009). Der indizierte Mitteldruck bei der Brennstoffmasse m_B = 50 mg beträgt etwa p_i = 9 bar (AGR = 0%), die angenommene Einspritzdauer Δφ = 20°. Die innere Abgasrückführung bedingt durch das Schadvolumen ist AGR = 5,81 %. Berechnung nach David G. Goodwin mit dem Programm Cantera. Die Reaktionskinetik von N-Heptan stammt vom Lawrence Livermore National Laboratory (Heptane Detailed Mechanism Vers. 3.1) und die Stickstoffkinetik vom Gas Research Institute (GRI-Mech 3.0). 

Abb. 20.13. Ruß- und NOx-Messwerte für den Diesel-Motor mit der Bohrung d = 137,2 mm, dem Hub s = 165,1 mm, dem Verdichtungsverhältnis ε = 15,1 und der Drehzahl n = 1600 U/min nach Meloni, R. und Naso, V.: An Insight into the Effect of Advanced Injection Strategies on Pollutant Emissions of a Heavy-Duty Diesel Engine, Energies 2013, 6, 4331-4351. Der Motor ist aufgeladen mit den Lufteintrittsgrößen T_L = 310 K und p_L = 1,84 bar. Der indizierte Mitteldruck bei der Brennstoffmasse m_B = 162,2 mg (Volllast) liegt im Bereich p_i = 14,3 ... 15,6 bar, die Einspritzdauer ist Δφ = 21,5°. Die innere Abgasrückführung bedingt durch das Schadvolumen ist AGR = 6,5 %, das Luftverhältnis ist λ = 1,64 entsprechend einem Sauerstoffgehalt von O₂ = 7,78 % im Abgas. Die Rußemissionen sind modelliert nach Hiroyasu, H. und Nishida, K.: Simplified Three-Dimensional Modeling of Mixture Formation Combustion in a Diesel Engine, 1989, SAE paper No. 890269. Berechnung nach David G. Goodwin mit dem Programm Cantera. Die Reaktionskinetik von N-Heptan stammt vom Lawrence Livermore National Laboratory (Heptane Detailed Mechanism Vers. 3.1) und die Stickstoffkinetik vom Gas Research Institute (GRI-Mech 3.0). 

Abb. 20.14. Ruß- und NOx-Messwerte für den Diesel-Motor mit der Bohrung d = 105,0 mm, dem Hub s = 115,0 mm, dem Verdichtungsverhältnis ε = 17,5 und der Drehzahl n = 1800 U/min nach Sabau, A. und Emil, O.: Soot Modeling in Diesel Engine, Proceedings of the 3rd International Conference on Environmental and Geological Science and Engineering (2010). Der indizierte Mitteldruck bei der Brennstoffmasse m_B = 38,6 mg (80% Volllast) liegt bei p_i = 8,7 bar, die angenommene Einspritzdauer ist Δφ = 13,0°. Die innere Abgasrückführung bedingt durch das Schadvolumen ist AGR = 5,65 %, das Luftverhältnis ist etwa λ = 1,7 entsprechend einem Sauerstoffgehalt von O₂ = 8,23% im Abgas. Die Rußemissionen sind modelliert nach Hiroyasu, H. und Nishida, K.: Simplified Three-Dimensional Modeling of Mixture Formation Combustion in a Diesel Engine, 1989, SAE paper No. 890269. Berechnung nach David G. Goodwin mit dem Programm Cantera. Die Reaktionskinetik von N-Heptan stammt vom Lawrence Livermore National Laboratory (Heptane Detailed Mechanism Vers. 3.1) und die Stickstoffkinetik vom Gas Research Institute (GRI-Mech 3.0).