Experimental Investigations on Particle Number Emissions from GDI Engines

Diese Dissertation behandelt experimentelle Untersuchungen zur Reduktion von Partikelanzahlemissionen beim Ottomotor mit Direkteinspritzung.
Messungen an einem Einzylinder-Forschungsaggregat mit kombiniertem Einsatz von Partikelanzahlmessgerät, Partikelgrößenverteilungsmessung sowie optischer Diagnostik und thermodynamischer Analyse ermöglichen dabei die detaillierte Analyse der Partikelbildung und -oxidation.
Hierzu werden zahlreiche optische Diagnosetechniken zur Visualisierung der Gemischbildung (Mie-Streulicht, High-Speed PIV) sowie der Rußbildung und -oxidation (High-Speed Imaging, Lichtleitermesstechnik) eingesetzt.
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Zunächst werden zwei Injektoren mit unterschiedlichem hydraulischen Durchfluss und identischem Spraytargeting in einer Einspritzdruckkammer charakterisiert und bewertet.
Im Fokus der experimentellen Arbeiten am Versuchsmotor steht dann der Betrieb bei erhöhter Motorlast und geringer Motordrehzahl.
Hierbei stellen die geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Brennraum, bedingt durch die geringe Motordrehzahl, sowie die große eingebrachte Kraftstoffmasse eine zentrale Herausforderung für den Gemischbildungsprozess dar.
Einen wesentlichen Teil der Arbeit stellt deshalb die detaillierte Analyse des Gemischbildungsprozesses, welcher als Summe aus Kraftstoffeinbringung, Interaktion der Ladungsbewegung mit dem eingebrachten Kraftstoff sowie der Kraftstoffbeschaffenheit beschrieben werden kann, dar.
Maßnahmen zur Optimierung der Gemischbildung und Minimierung der Partikelemissionen werden abgeleitet und bewertet.
Neben der gezielten Beeinflussung der Ladungsbewegung durch das Aufprägen einer gerichteten Strömung und der Variation der Ventilöffnungszeitpunkte und -öffnungsverläufe, wird auch die Einspritzung gezielt beeinflusst.
Hierzu wird neben einer Reduktion des hydraulischen Durchflusses des Injektors auch eine Erhöhung des Einspritzdruckes auf bis zu 500 bar diskutiert.

This thesis discusses experimental investigations to reduce particle number emissions from gasoline engines with direct injection. Measures on a single cylinder research engine with combined usage of a particle number measurement system, a particle size distribution measurement system as well as optical diagnostics and thermodynamic analysis enable an in-depth assessment of particle formation and oxidation. Therefore, numerous optical diagnostic techniques for spray visualisation (Mie-scattering, High-Speed PIV) and soot detection (High-Speed-Imaging, Fiber optical diagnostics) are deployed.
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Two injectors with different hydraulic flows but identical spray-targeting are characterised and compared by measurements in a pressurised chamber. The operation at higher engine load and low engine speed is in the focus of the experimental work at the engine test bench. Thereby, the low flow velocities in the combustion chamber, caused by the low engine speed, as well as the large amount of fuel injected are major challenges for the mixture formation process. A substantial part of the thesis thus focusses on the detailed analysis of the mixture formation process, which is consisting of fuel injection, interaction of the in-cylinder charge motion with the fuel injected and the fuel properties.
Measures for the optimisation of the mixture formation process and the minimisation of the particle number emissions are analysed and evaluated. The charge motion is manipulated by the impression of a directed flow, the variation of the valve timings and valve open curve. The injection process is influenced by a reduction of the hydraulic flow of the injector and an increase of the injection pressure up to 50 MPa.
The investigations show fundamental effects and potentials of different variation parameters concerning their emissions reduction potential at the exemplary operation at high engine load. Due to the simultaneous analysis of the in-cylinder charge motion and a thermodynamic analysis, the results can be transferred to different engines.