KE Zuendungspruefstand Ss13 - Bericht

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  • Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Fakultt fr Maschinenbau und Mechatronik

    Zndungsprfstand

    KE_Zuendungspruefstand_ss13

    Philipp Montsko 43782

    Tobias Vogt 43790

    10.10.2013

  • Seite | i

    Inhalt Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................................... iv

    1. Einleitung ....................................................................................................................................1

    2. Literaturrecherche ......................................................................................................................2

    2.1. Zndanlagen ........................................................................................................................2

    2.1.1. Spulenzndanlage (SZ) .................................................................................................2

    2.1.2. Kontaktgesteuerte Transistorspulenzndung (TSZ-k) ....................................................2

    2.1.3. Kontaktlose Transistorspulenzndung (TSZ-I/H) ...........................................................3

    2.1.4. Elektronische Zndung (Kennfeldzndung) ..................................................................3

    2.1.5. Vollelektronische Zndung (VEZ) ..................................................................................4

    2.1.6. Einzelfunkenzndung (EZ) ............................................................................................4

    2.1.7. Hochspannungskondensatorzndung (HKZ) .................................................................4

    2.2. Mehrfachzndanlagen .........................................................................................................5

    2.2.1. Funkenbandzndung (Pulszugzndung) .......................................................................5

    2.2.2. Delphi Modular Multicharged Ignition System (MCI) ....................................................6

    2.2.3. Schnelle Mehrfachzndung, Multi Spark Ignition MSI ...................................................7

    2.2.4. Modulierbares Gleichstromzndsystem ALTRONIK DIES ...............................................7

    2.2.5. Coronazndung BERU ECCOS .......................................................................................8

    2.2.6. Radio Frequency Ignition System (RFI) .........................................................................9

    2.2.7. Performance Gas Injection (PGI) Glhstift Verfahren ....................................................9

    2.2.8. Laserzndung............................................................................................................. 10

    2.2.9. Mikrowellen Punktzndung (MWPZ) .......................................................................... 10

    2.2.10. Mikrowellenraumzndung (MWI) .............................................................................. 11

    2.2.11. Plasmazndung (PZ) ................................................................................................... 11

    2.2.12. Durchbruchzndung (DBZ) ......................................................................................... 12

    2.2.13. Railplug ...................................................................................................................... 12

    2.2.14. Vorkammerzndkerze (BPI)........................................................................................ 13

    2.2.15. Vorkammerzndkerze mit Piloteinspritzung ............................................................... 13

    3. Grundkonzept ........................................................................................................................... 14

    3.1. Zndungsprfstand ohne Verbrennung ............................................................................. 14

    3.2. Zndungsprfstand mit Verbrennung ................................................................................ 15

    3.3. Auswahl des Grundkonzeptes ............................................................................................ 16

    3.4. Festlegung des Gemisch Aufbereitungssystems ................................................................. 16

    4. Konstruktion der Prfkammer ................................................................................................... 19

    4.1. Rechtsvorschriften ber Druckgerte................................................................................. 20

  • Seite | ii

    4.2. Kopfplatte ......................................................................................................................... 21

    4.2.1. Flanschadapter .......................................................................................................... 21

    4.2.2. Einschraubadapter ..................................................................................................... 22

    4.2.3. Adapter mit berwurfklemmung ............................................................................... 23

    4.2.4. Wechselkopf .............................................................................................................. 24

    4.3. Abdichtung ........................................................................................................................ 24

    4.3.1. Metallische Flachdichtungen ...................................................................................... 25

    4.3.2. Metallische O-Ringe ................................................................................................... 25

    4.3.3. Hochtemperatur O-Ringe ........................................................................................... 25

    4.3.4. Graphit Flachdichtung ................................................................................................ 25

    4.4. Sicherheitseinrichtung berlastfall .................................................................................... 26

    4.4.1. Berstkolben ............................................................................................................... 26

    4.4.2. Federkolben ............................................................................................................... 26

    4.4.3. Externes Sicherheitsventil .......................................................................................... 28

    4.5. Konstruktion der Gesamtbaugruppe .................................................................................. 28

    5. Verwendete Sensoren ............................................................................................................... 30

    5.1. Temperaturmessung ......................................................................................................... 30

    5.2. Messung des Druckverlaufs ............................................................................................... 30

    5.3. Krperschallsensor ............................................................................................................ 30

    6. Finite Elemente Berechnung ................................................................................................ 31

    6.1. Modellierung ..................................................................................................................... 31

    6.2. Materialdefinition.............................................................................................................. 33

    6.3. Kontaktbedingungen ......................................................................................................... 34

    6.4. Randbedingungen ............................................................................................................. 35

    6.5. Aufbringen der Last ........................................................................................................... 37

    6.6. Vernetzung der Geometrie ................................................................................................ 38

    6.7. Ergebnisse der FEM Analyse .............................................................................................. 39

    6.8. Materialauswahl und Berechnung der Sicherheit ............................................................... 42

    Anhang ............................................................................................................................................... I

    A. Berechnungen .............................................................................................................................II

    A.1. Abschtzung der Druckerhhung durch einen Zndfunken in einer kleinen luftgefllten

    Prfkammer ....................................................................................................................................II

    A.2. Luftbedarf bei stchiometrischer Verbrennung von Methan .............................................. IV

    A.3. Abschtzung des Verbrennungsdruckes bei stchiometrischer isochorer Methan

    Verbrennung .................................................................................................................................. V

  • Seite | iii

    A.4. Vorauslegung der Schraubenverbindung ......................................................................... VIII

    A.5. Berechnung der Flchenpressung fr die Kupferflachdichtung ............................................ X

    B Datenbltter ...................................................................................................................................XI

    C Investitionsantrag .........................................................................................................................XIX

    D Zeichnungen ................................................................................................................................. XX

    E bersicht Literaturrecherche ........................................................................................................XXI

    F Besprechungsprotokolle ..............................................................................................................XXIX

    G Angebote.....................................................................................................................................XXX

    Quellen ..........................................................................................................................................XXXI

  • Seite | iv

    Abbildungsverzeichnis

    Abbildung 3.1: Grundkonzept eines Zndungsprfstandes ohne Verbrennung .................................. 14

    Abbildung 3.2: Grundkonzept eines Prfstandes mit Verbrennung.................................................... 15

    Abbildung 3.3: Verschiedene Varianten eines Zndungsprfstandes mit Verbrennung ..................... 16

    Abbildung 3.4: Interne Gemischbildung ............................................................................................ 17

    Abbildung 3.5: Externe Gemischbildung mit Komponenten Verdichtung ........................................... 17

    Abbildung 3.6: Externe Gemischbildung mit Gemisch Verdichtung .................................................... 18

    Abbildung 4.1: Skizze des Zndkerzenprfstandes ............................................................................ 19

    Abbildung 4.2: Einteilung der Druckbehlter in Kategorien [21](Seite 25) .......................................... 20

    Abbildung 4.3: Kopfplatte mir geflanschtem Adapter ........................................................................ 21

    Abbildung 4.4: Kopfplatte mit eingeschraubtem Adapter .................................................................. 22

    Abbildung 4.5: Kopfplatte mit per berwurf befestigtem Adapter .................................................... 23

    Abbildung 4.6: Kopfplatte ohne Wechseladapter .............................................................................. 24

    Abbildung 4.7: Berstkolben als Sicherheitseinrichtung ...................................................................... 26

    Abbildung 4.8: Gefederter Kolben als Sicherheitseinrichtung ............................................................ 27

    Abbildung 4.9: Federkennlinie des Werkstoffes X22CrMoV12-1 [1] ................................................... 27

    Abbildung 4.10: Schnittansicht der Prfkammer ............................................................................... 28

    Abbildung 4.11: Zoll Einschraubverschraubung .............................................................................. 29

    Abbildung 4.12: Anordnung der Luftkanle und der Messtechnik ...................................................... 29

    Abbildung 6.1: FEM Modell des Zndungsprfstandes ...................................................................... 32

    Abbildung 6.2: FEM Modell der Schrauben ....................................................................................... 32

    Abbildung 6.3: Tie Contact zur Verbindung des Zylinderkopfes mit der Zylinderkopfschraube ........... 34

    Abbildung 6.4: Symmetrierandbedingung in x-Richtung auf der farblich hervorgehobenen Flche .... 35

    Abbildung 6.5: Verschiebungsrandbedingung in z-Richtung .............................................................. 36

    Abbildung 6.6: Applizierte Drucklast ................................................................................................. 37

    Abbildung 6.7: Vernetzte Geometrie ................................................................................................. 38

    Abbildung 6.8: Spannung in den vorgespannten Schrauben .............................................................. 40

    Abbildung 6.9: Vergleichsspannung in den Schrauben unter Drucklast .............................................. 41

    Abbildung 6.10: Vergleichsspannung in der Prfkammer bei Drucklast ............................................. 41

    Abbildung A.1: Flchenpressung im Lastschritt Vorspannung ............................................................. X

    Abbildung A.2: Flchenpressung im Lastschritt Druck ......................................................................... X

  • Einleitung

    Seite | 1

    1. Einleitung

    Bei der Weiterentwicklung von modernen Verbrennungsmotoren wird das Zndsystem immer mehr

    zu einem Schlsselelement, von dem das erreichbare Potential hinsichtlich Wirkungsgradsteigerung

    und Emissionsreduzierung abhngt. Diese Primrziele der Motorenentwicklung werden beispiels-

    weise durch erhhte Abgasrckfhrungsraten, hhere Luftzahlen, gesteigerte Verdichtungs-

    enddrcke oder geschichtete Gemische erreicht. Diese Manahmen beeinflussen die Entzndbarkeit

    der Gemische negativ, wodurch erhhte Anforderungen an die Zndsysteme bestehen. Ein

    Zndungsprfstand, mit dessen Hilfe die Entzndung von Gemischen unter erschwerten

    Bedingungen untersucht werden kann, stellt somit ein zentrales und wichtiges Element einer

    angewandten Motorenforschung dar.

    Das Projekt ist in zwei Teile aufgeteilt, die sich ber zwei Semester erstrecken. Der erste Teil, der in

    diesem Bericht dargestellt wird, umfasst eine ausfhrliche Literaturrecherche, die Entwicklung, sowie

    die Konstruktion und die Berechnung der Bauteile. Der zweite Teil umfasst die Fertigung des

    Verbrennungsprfstands mit ihrer Inbetriebnahme.

    Die Konstruktion besteht aus einem Zylinder, in welchem die Verbrennung abluft, sowie einer Kopf-

    und einer Fuplatte. Im Brennraum befindet sich ein weiteres zylindrisches Bauteil. Hiermit knnen

    verschiedene Kolbengeometrien eines Verbrennungsmotors nachgebildet werden. Die

    aufgeschraubte Kopfplatte beinhaltet eine Einspritzdse sowie die Zndkerzenbohrung. In der

    Zylinderwand des Brennraumes sind Bohrungen fr die Sensorik und den Gasaustausch eingebracht.

    Die Gemischbildung erfolgt aus Sicherheitsgrnden innerhalb des Brennraumes. Zunchst wird der

    Brennraum mit verdichteter Luft gefllt. Anschlieend wird eine zuvor berechnete Kraftstoffmenge

    eingespritzt und das Gemisch gezndet.

    Zur Untersuchung der Verbrennung kommen Temperatursensoren, Drucksensoren sowie ein

    Krperschallsensor zum Einsatz. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt mittels eines Benzininjektors

    eines Ottomotors.

    Um gleichmige Randbedingungen zu erhalten, wird der Zndungsprfstand vor Beginn eines

    Versuches mittels einer handelsblichen Herdplatte auf ca. 300 Celsius aufgeheizt. Die Auslegung

    der Bauteile erfolgt mittels Finite Elemente Software.

  • Literaturrecherche

    Seite | 2

    2. Literaturrecherche

    Aufgrund der hohen Vielfalt der auf dem Markt erhltlichen Zndsysteme und Zndkerzen wird in

    diesem Projekt zunchst eine Literaturrecherche durchgefhrt. Als Quellen dienen hierzu

    verschiedene Fachbcher, das Internet sowie einige Verffentlichungen. Die in der

    Literaturrecherche gefundenen Zndsysteme werden entsprechend ihrer Eigenschaften im

    Folgenden kurz beschrieben. Eine tabellarische bersicht ist im Anhang E zu finden. Die

    Literaturrecherche erhebt keinen Anspruch auf Vollstndigkeit, sondern spiegelt nur die gefundenen

    Informationen aus der Fachliteratur wieder.

    2.1. Zndanlagen

    2.1.1. Spulenzndanlage (SZ)

    Die Spulenzndanlage ist eine sogenannte Batteriezndanlage, bei der das Ausschalten des

    Primrstromes und somit die Zndfunkenauslsung mechanisch durch einen Unterbrecherkontakt

    erfolgt. Der Zndfunken wird mittels einer rotierenden Hochspannungsverteilung auf die einzelnen

    Zndkerzen verteilt. Die Aufladezeit wird ber den Schliewinkel bestimmt, das heit sie ist durch die

    Nockenform vorgegeben.

    Nachteile:

    Geringe Funkenzahlen

    Hoher Kontaktverschlei

    Nicht mehr Stand der Technik

    Verwendete Zndkerzen:

    Herkmmliche Zndkerzen

    2.1.2. Kontaktgesteuerte Transistorspulenzndung (TSZ-k)

    Der Unterbrecherkontakt bettigt bei der Transistorspulenzndung ber den Steuerstrom einen Transistor, welcher den Primrstrom (Transistor als Stromverstrker) schaltet und somit die Zndung auslst.

    Vorteile:

    Geringerer Verschlei als bei der Spulenzndanlage, durch die Entlastung des Unterbrecherkontaktes

    Nachteile:

    Mechanische Anpassung des Zndzeitpunktes und Zndverteilung wie bei der Spulenzndanlage

    Nicht mehr Stand der Technik

    Verwendete Zndkerzen:

    Herkmmliche Zndkerzen

  • Literaturrecherche

    Seite | 3

    2.1.3. Kontaktlose Transistorspulenzndung (TSZ-I/H)

    Der Steuerstrom wird mittels eines Induktivgebers (TSZ-i) oder eines Hallgebers (TSZ-h) erzeugt. Die Steuersignale werden an die Endstufe im Zndsteuergert weitergegeben, welche den Primrstrom schaltet. [6]

    Vorteile:

    Hhere Drehzahlen als bei der Kontaktgesteuerten TSZ mglich

    Kein Verschlei

    Nachteile:

    Kompliziertes pneumatisch-mechanisches Verstellsystem

    Nur einfache Verstellkennlinien mglich

    Nicht mehr Stand der Technik

    Verwendete Zndkerzen:

    Herkmmliche Zndkerzen

    Magerlaufgrenze:

    Bis =1,7

    2.1.4. Elektronische Zndung (Kennfeldzndung)

    Der Zndzeitpunkt sowie der Einspritzbeginn werden bei der Kennfeldzndung mittels Parametern

    wie Druck, Drehzahl oder Temperatur elektronisch geregelt. Die Zndverteilung erfolgt mechanisch

    [22].

    Vorteile:

    Das Zndkennfeld enthlt fr jeden mglichen Betriebspunkt des Motors den als besten

    Kompromiss ausgewhlten Zndwinkel. (1000-4000 Kennfeldpunkte)

    Der Zndzeitpunkt ist nher an der Klopfgrenze

    Die Verbrennung wird dadurch effektiver

  • Literaturrecherche

    Seite | 4

    2.1.5. Vollelektronische Zndung (VEZ)

    Der Aufbau gleicht der Elektronischen Zndung, jedoch ohne mechanischen Zndverteiler. Eingesetzt

    werden hier Zweifunkenzndspulen, bei welchen sich an jedem Hochspannungsanschluss eine

    Zndkerze befindet. Somit sind beide Zndkerzen in Reihe geschaltet. Es werden die in der

    Zndreihenfolge um 360 verdrehten Zylinder gleichzeitig gezndet, wodurch je eine Zndung in den

    Auspufftakt fllt. [2]

    Vorteile:

    Keinen rotierenden Verteiler

    Wesentlich geringerer Strpegel (keine offenen Funken)

    Geruschreduzierung

    Verringerte Anzahl von Hochspannungsverbindungen

    Nachteile:

    Zustzlicher Spannungsbedarf

    2.1.6. Einzelfunkenzndung (EZ)

    Die Einzelfunkenzndung besitzt den gleichen Aufbau wie die Vollelektronische Zndung, jedoch mit

    einer Zndspule pro Zylinder. Die Zndspulen sitzen meist direkt auf den Zndkerzen. [2]

    Vorteile:

    Energiesparender

    Krzere Hochspannungswege (keine Hochspannungskabel)

    Schliezeiten und Zndzeitpunkte knnen einzeln auf jeden Zylinder angepasst werden

    Nachteile:

    Teurer als VEZ

    2.1.7. Hochspannungskondensatorzndung (HKZ)

    Die Hochspannungskondensatorzndung speichert die Zndenergie im elektrischen Feld eines

    Kondensators (Energiespeicherung auf 400V Niveau). Dieser Kondensator wird mit einem

    Konstantstrom oder ber Impulse geladen. Im Zndzeitpunkt wird dann ein Thyristor

    durchgeschaltet, wodurch ein Entladen des Kondensators erfolgt. Wenn der Kondensator entladen

    ist, wird der Thyristor wieder geschlossen und der Aufladevorgang erfolgt. Somit speichert der

    Zndtransformator keine magnetische Energie und ist schnell in der bertragung. [6]

  • Literaturrecherche

    Seite | 5

    Vorteile:

    Weniger anfllig gegenber Nebenschlssen wie TSZ

    Nachteil:

    Extrem kurze Funkendauer (0,1-0,3 ms)

    Einsatz:

    Hauptschlich schnelldrehende und leistungsstarke Vierzylinder oder Kreiskolbenmotoren.

    Magerlaufgrenze:

    Bis =1.4

    2.2. Mehrfachzndanlagen

    2.2.1. Funkenbandzndung (Pulszugzndung)

    Die Funkenbandzndung wird whrend eines Arbeitsspiels mehrfach vom Motorsteuergert

    angesteuert. Es werden zwei Betriebsarten verwendet. [6]

    1. Wiederaufladung erst nach vollstndiger Entleerung der Spule

    Vorteil:

    Wechselnde unbekannte Anfangsbedingung des Ladungszustandes beim

    Wiederaufladen wird vermieden

    Nachteil:

    Zeit bis zum nchsten Funken verlngert sich

    Sinnvolle Wiederholraten ergeben sich nur fr kleine Drehzahlen

    Funkenabstand von 6ms bei 1000 min-1 entspricht bereits 36

    Kurbelwellenwinkel, wodurch der zweite Funken schon weit vom optimalen

    Zndzeitpunkt entfernt ist

    2. Wiederaufladung nach der Unterbrechung des Funkens

    Vorteil:

    Steigende Wiederholrate

    Nachteil:

    Dem Steuergert ist das Energieniveau der Spule zu Beginn des zweiten

    Ladens nicht bekannt, wodurch zu niedrige oder zu hohe Ladungszustnde

    der Spule entstehen knnen

  • Literaturrecherche

    Seite | 6

    2.2.2. Delphi Modular Multicharged Ignition System (MCI)

    Das MCI wird whrend eines Arbeitsspiels mehrfach vom Motormanagement angesteuert. Es

    verwendet eine Stromrckmeldung sowohl fr den Sekundr- als auch fr den Primrstrom. Bei

    diesem Zndsystem sind mehrere Ausfhrungen auf der gleichen Hardware-Plattform mglich. [25]

    Vorteil:

    Ladezustand der Spule ist zu jeder Zeit bekannt

    Erfordert keine spezielle Spulenbauart, da die Verbrennungsqualitt ber Ionenstromsignal

    bewertet wird

    Modulares Zndsystem, das an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann

    Arbeitet nach vorgeschriebenen Algorithmen

    Grundstzlich unbegrenzte Znddauer, ermglicht auch ein Znden von kritischen

    Gemischen

    Es ermglicht ein greres Applikationsfenster und verbessert die Robustheit auch bei der

    Verwendung geschichteter Verbrennung

    Ausfhrungen (auf gleicher Hardware-Plattform):

    Ausfhrung Stufe 1: Hochenergiezndung mit Einfachfunken

    Nachteil:

    Mgliches Abbrennen des Zndfunkens bevor die Gemischwolke die

    Zndkerze erreicht, wodurch eine Auslschung des Zndfunkens

    resultieren kann

    Erhhte NOx Emissionen wegen frher Zndung

    Erlaubt einen aussetzerfreien Betrieb nur in einem sehr schmalen

    Einspritz- und Zndbereich

    Ausfhrung Stufe 2: Multi Charge Ignition System (Unterscheidung zwischen

    zeitgesteuerten und stromgesteuerten Systemen)

    Das zeitgesteuerte System arbeitet unabhngig vom Ladungszustand der Spule.

    Das Auflademuster im Motorsteuergert ist hier fest vorgegeben.

    Stromgesteuerte Systeme arbeiten mit dem tatschlichen Zustand der Spule

    (Stromrckmeldung des Primr- und Sekundrstromes)

    Vorteile:

    Besserer Umgang mit stark variierenden Bedingungen im Brennraum.

    Hhere Robustheit gegenber Alterungseffekten und

    Komponentenstreuungen durch breitere Applikationsfenster

    Senkung der NOx Emission durch die Verschiebung der Zndzeitpunkte

    Richtung Spt

    Verbrauchsvorteil durch seltene erforderliche Regeneration des DeNOx-

    Katalysators

  • Literaturrecherche

    Seite | 7

    Ausfhrung Stufe 3: 12V Wechselstrom Zndsystem Alternating Current Ignition System

    (ACI)

    Hier kommt eine zweigeteilte Primrzndspule zum Einsatz. Nach dem ersten

    Rampenanstieg und anschlieender Zndung wird elektrische Energie direkt von

    der Batterie in den stehenden Funken geleitet. Somit entsteht ein ungestrt

    brennender Funke bei wechselnder Polaritt

    Vorteile:

    Voll kompatibel mit dem 12V Bordnetz (lsst sich in bestehende

    Zndsoftware integrieren)

    ACI 2P Zndsystem

    Zwei asymmetrische Primrzndspulen mit der Mglichkeit, die Primrspule

    verzgert schalten zu knnen

    Nachteile:

    Hochenergiespulen funktionieren nur in gasfrmiger Umgebung mit

    geringer Strmung

    Nochmaliges Znden hngt stark von dem verbliebenen Leistungsniveau

    in der Spule ab

    2.2.3. Schnelle Mehrfachzndung, Multi Spark Ignition MSI

    Der entstehende Funke wird flexibel mit Strom versorgt, um die gespeicherte Energie des

    Zndtransformators auf das fr den ersten Funkendurchbruch ntige Ma zu beschrnken.

    Nach dem Funkendurchbruch wird in kurzer zeitlicher Abfolge die Brennphase des Funkens

    mit nachgelieferter Energie aus der Spule untersttzt. Somit entsteht bei vielen

    Zndvorgngen nur ein Plasmakanal. [6]

    Vorteile:

    Verbesserungen in Verbrauch und Emissionen durch Verschiebung des Applikationspunktes,

    bei niedrigen und hohen Lasten im Schichtladebetrieb.

    Gesteigerte Verbrennungsrobustheit durch Verlegung des Applikationspunktes in Richtung

    eines thermodynamisch gnstigeren Betriebspunkt.

    Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Rohemission.

    2.2.4. Modulierbares Gleichstromzndsystem ALTRONIK DIES

    Der Zndfunke kann ber die Stromstrke an verschiedene Funktionskurven angepasst

    werden. Hierdurch werden die Regelung des Brennstromes im Funken und eine Erhhung

    der Durchbruchspannung infolge aufgeschaukelter Zndspannung aufgrund der

    Eigenfrequenzen ermglicht. [6]

  • Literaturrecherche

    Seite | 8

    Vorteile:

    Steigerung der Zndenergie um das 3 4 fache

    Lange Funkenbrenndauer mit geringem Elektrodenverschlei.

    Anwendung:

    Grogasmotoren mit turbulenten, mageren Brennverfahren.

    2.2.5. Coronazndung BERU ECCOS

    Ein hochenergetisches elektrisches Feld, das in den zur Entflammung gnstigsten Punkt gelegt

    werden kann, wird zum Einleiten der Verbrennung verwendet. Die grovolumige Entflammung

    bewirkt eine schnelle Verbrennungseinleitung, welche durch elektrochemische Reaktionen initiiert

    wird. Es ist ein Gesamtsystem, welches nicht aus mehreren Einzelkomponenten besteht und zhlt zu

    den Hochfrequenzzndungen. Die Form und die Ausfhrung von Elektrode, Isolator und

    Verbrennungsraum beeinflussen die Geometrie der Corona Entladung. Mittels geeigneter Software

    knnen die Entladedauer und die Entladeenergie je Zyklus variiert werden. [6]

    Vorteile:

    Reduzierter Kraftstoffverbrauch mit geringerer Abgasemission

    Verbesserung der Energieemission, NOx Emission sowie der CO2 Emission.

    Durch das Fehlen der Plasmaentladung / Funkenberschlgen kann die Elektrodenerosion

    minimiert werden

    Corona Entladespannung ist niedriger als die Durchschlagspannung

    Anwendung:

    Motoren mit hoher Leistung und magerer Verbrennung

    Magerlaufgrenze:

    > 2,5

    Agr-Anteil > 40 %

    Zndenergie:

    1500-2000 mJ

  • Literaturrecherche

    Seite | 9

    2.2.6. Radio Frequency Ignition System (RFI)

    RFI ist ein weiteres Zndsystem, das mittels Corona das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzndet. Auch

    dieses Zndsystem funktioniert nach dem Hochfrequenzprinzip (Frequenz: ca. 5MHz). [6]

    Vorteile:

    Aufgrund des rumlichen Funkenmusters ist es durch die vielen Funkenkanle in der Lage,

    magere brennbare Gemische ber einen weiten Druckbereich zu entznden

    Rasche Verbrennungseinleitung

    Verringerung der zyklischen Schwankungen

    Groer Bereich fr die Verstellung des Zndzeitpunktes4

    Geringer Kraftstoffverbrauch

    Magerlaufgrenze:

    = 1,43

    2.2.7. Performance Gas Injection (PGI) Glhstift Verfahren

    Die PGI Zndungskomponenten sind ein Pilot-Gas-Hochdruckeinspritzventil und eine Starthilfe, die in

    eine gekhlte Vorkammer eingesetzt wird. Die Vorkammer wird whrend der Verdichtung mit dem

    Gemisch, mit hoher Mikroturbulenz geflutet. Somit entsteht eine hohe Zndfhigkeit. Nach dem

    Entznden der Ladung in der Vorkammer entfachen die austretenden Feuerstrahlen die Ladung im

    Hauptbrennraum. Die Vorkammer kann auch mit einer eigenen Gasversorgung ausgestattet werden,

    um mittels eines fetten Vorkammergemisches ein mageres Hauptkammergemisch zu entznden. Der

    Vorkammereinspritzdruck betrgt ca. 230 bar mit einem annhernd stchiometrischen Gemisch,

    welches sich an der Oberflche der Starthilfe (whrend der Startphase elektrisch beheizt) entzndet.

    Die Zndzeitpunktsteuerung erfolgt ber den Einspritzzeitpunkt des Pilotgases. [6] [10]

    Vorteile:

    Sehr magere Gemische lassen sich zuverlssig Znden

    Sehr hohe Mitteldrcke

    Kompressionsenergie der Pilotgasanlage ist vernachlssigbar gering

    Nahezu kein Verschlei

    Besserer Wirkungsgrad bei hherer Betriebssicherheit

    Geringere Emissionen bei geringeren Wartungskosten

    Magerlaufgrenze:

    = 2,0

    Zndenergie:

    ca. 105 mal hher als bei herkmmlichen Zndkerzen

  • Literaturrecherche

    Seite | 10

    2.2.8. Laserzndung

    Ein Laserstrahl erzeugt mit einer Bestrahlungsstrke von ca. 1010 W/cm2 ein Funkenplasma am Ende

    des Laserpulses. Dies wird durch eine Multiphotonenionisation und einen Elektronen Kaskadeneffekt

    hervorgerufen. Der Zeitpunkt des Durchbruchs wird als optischer Durchbruch bezeichnet. [6] [4]

    Vorteile:

    Extrem kurze und trotzdem energiereiche Zndung

    Eine hohe Zndenergie wird an dem fr die Verbrennung optimalen Ort eingebracht

    Einsatz in Magermotoren geplant

    Sehr schneller Anstieg der Flammflchengre

    Geringere zyklische Verbrennungsschwankungen

    Nachteile:

    Befindet sich noch im Experimentalstadium

    Zndaussetzer im Schichtbetrieb durch Zuordnungstoleranzprobleme

    Teuer

    2.2.9. Mikrowellen Punktzndung (MWPZ)

    Bei der MWPZ kommt ein koaxialer Leistungsresonator zum Einsatz, der das Zndplasma nicht

    zwischen zwei Elektroden, sondern frei stehend im Einspritzstrahl bildet. [6] [10]

    Vorteile:

    Beliebige Znddauer und frei einstellbare Zndfolgen

    Keine Massenelektrode

    o Geringere Eindringtiefe

    o Geringere Bildung von Ablagerungen und Wrmeverlusten

    o Bessere Entflammung von mageren Gemischen

    Pulsanzahl und Gesamtdauer beliebig einstellbar

    Zuverlssige Entflammung geschichteter Gemische bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung

    und strahlgefhrtem Brennverfahren

    Mehrfachzndstrategien mglich

    Zndkerze:

    Koaxialer Leistungsresonator

    Zndenergie:

    Pulsleistung von 1600W

    Zndfrequenz:

    2.45 GHz

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    2.2.10. Mikrowellenraumzndung (MWI)

    Bei der Mikrowellenraumzndung wird durch einen Hochfrequenzgenerator ein Mikrowellenimpuls

    erzeugt, ber den das gesamte Gemisch homogen gezndet wird. Somit wird die laminare

    Brennphase eliminiert und es erfolgt eine Raumzndung, die lediglich turbulente Verbrennung

    aufweist. [14] [17]

    Vorteile:

    Kraftstoffeinsparung bis zu 30%

    Emissionseinsparung bis zu 80%

    Nachteil:

    Lediglich theoretische berlegungen

    2.2.11. Plasmazndung (PZ)

    Mit Hilfe einer extrem schnellen Entladung und einem speziellen Znder wird eine in den Brennraum

    eindringende Plasmawolke erzeugt, welche das Gemisch entzndet. Die Energieeinleitung in den

    Znder kann mit induktiven und kapazitiven Zndsystemen geschehen. [6]

    Vorteile:

    Senkung der Magerlaufgrenze

    Nachteile:

    Hohe Bauteilbelastung bei der Erzeugung der Plasmawolke

    Lebensdauer des Znders extrem kurz

    Zndenergie:

    Eingesetzte Energie: 700mJ

    Magerlaufgrenze:

    = 1,54

  • Literaturrecherche

    Seite | 12

    2.2.12. Durchbruchzndung (DBZ)

    Die Durchbruchzndung entspricht einem Hochspannungskonzept, da der Primrkondensator mit

    Gleichspannung auf 600V aufgeladen wird. Nach Durchschalten des Thyristors erfolgt die Entladung

    des Kondensators. Der entstehende Impuls auf der Sekundrseite hat eine Spannung von 40kV. Die

    Entladung der Zndenergie erfolgt als Luftfunke. [14] [17]

    Vorteile:

    Liefert mehr thermische Funkenenergie zum Entflammungspunkt

    Verringert den Vorzndbedarf

    Verbessert die Magerlauffhigkeit

    Nachteile:

    Entnimmt der Batterie deutlich mehr Energie als TSZ

    Hhere NOx Emissionen aufgrund der schnellen Verbrennung

    Zndkerze:

    Standardkerze

    Hohlraumkerze

    3-Elektrodenkerze

    2.2.13. Railplug

    Wie bei der Plasmazndung wird in einem Hohlraum durch einen Funken Plasma gebildet, welches

    das Gemisch entzndet. Zustzlich zu den thermischen Krften entstehen elektromagnetische Krfte,

    die das Plasma in den Brennraum beschleunigen. [6]

    Vorteile:

    Erhhte Magerlaufgrenze

    Verbesserte Motorlaufruhe

    Nachteile:

    Groer Aufwand und hohe Kosten fr die Optimierung und Realisierung

    Geringere Lebensdauer des Znders im Vergleich zur herkmmlichen Zndung

    Hherer Energieaufwand

  • Literaturrecherche

    Seite | 13

    2.2.14. Vorkammerzndkerze (BPI)

    Die Voreinspritzung whrend des Einlasstaktes bewirkt ein homogen mageres Gemisch. Whrend des

    Verdichtens wird eine kleine Menge des Kraftstoffes in eine Kolbenmulde eingespritzt. Durch den

    Druckunterschied zwischen Brennraum und Vorkammer wird das Gemisch in die Vorkammer

    gesogen. Nach der Zndung in der Vorkammer werden die heien Verbrennungsprodukte in den

    Brennraum beschleunigt. [13]

    Vorteile:

    Zweigeteilte Einspritzstrategie

    Starke Verbesserung der Entflammung magerer Gemische im Teillastbereich

    Positive Beeinflussung des Kraftstoffverbrauchs

    Reduzierung der Klopfgrenze bei homogen mager betriebener Volllast

    Magerlaufgrenze:

    = 1,7

    2.2.15. Vorkammerzndkerze mit Piloteinspritzung

    Piloteinspritzung in die Vorkammer der Zndkerze mit hochentzndlichem Kraftstoff oder Gas. Nach

    der Zndung des Vorkammergemisches entznden Flammenfackeln das Brennraumgemisch.

    Vorteile:

    Erhhung der Magerlaufgrenze

    Beschleunigung des Verbrennungsprozesses

    Verbrauchseinsparung

    Geringere NOx Emissionen, da nur in der Vorkammer die Voraussetzungen zur Bildung von

    NOx ideal sind

    Nachteile:

    Zustzlicher Aufwand und Kosten durch eigene Kraftstoffspeicherung

  • Grundkonzept

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    3. Grundkonzept

    Fr die Erprobung verschiedener Zndkerzen und Zndsysteme existieren zwei verschiedene

    Grundkonzepte eines Zndungsprfstandes (ZP). Diese Konzepte unterscheiden sich im Wesentlichen

    darin, ob eine Verbrennung im Prfstand stattfinden soll oder nicht. Diese Entscheidung muss zu

    Beginn getroffen werden, da sich hieraus verschiedene Anforderungen an den ZP ergeben. Im

    Folgenden werden beide Prinzipien vorgestellt, sowie deren Aufbau in groben Zgen erlutert.

    3.1. Zndungsprfstand ohne Verbrennung

    Eine Skizze des Grundkonzeptes fr einen ZP ohne Verbrennung ist in Abbildung 3.1 dargestellt.

    Abbildung 3.1: Grundkonzept eines Zndungsprfstandes ohne Verbrennung

    Bei einem Zndungsprfstand ohne Verbrennung wird der Druck in der Prfkammer als

    vernderlicher Parameter angenommen. Das verwendete Medium in der Prfkammer ist Luft. Diese

    wird im verdichteten Zustand mit einem Netzdruck von pNe = 6 bar aus dem Druckluftnetz der

    Hochschule entnommen. Anschlieend wird die vorverdichtete Luft ber einen Verdichter auf den

    gewnschten Enddruck gebracht. Der in der Skizze mit Regelstrecke bezeichnete Bereich enthlt

    Komponenten zur Regelung der Druckluft und zur Gewhrleistung eines sicheren Betriebs. Die

    Prfkammer dient als Trger der Zndkerzen und ist druckdicht ausgefhrt. Sie kann durch

    Heizelemente auf eine Anfangstemperatur definiert vorgeheizt werden. Die Abgaseinheit dient im

    Wesentlichen der Entleerung der Prfkammer.

    Mit einem solchen Prfstand wird in erster Linie untersucht, bis zu welchem Druck die Zndkerzen

    und -systeme in der Lage sind, ein Zndplasma zu erzeugen und wie die Plasmaerzeugung zeitlich

    verluft. Die Auswertung kann dabei beispielsweise ber Drucksensoren nahe der Zndkerze

    erfolgen, da ein entstehendes Plasma zu Temperatur- und somit auch zu Drucknderungen in der

    Prfkammer fhrt. Damit diese Zustandsnderungen in der Prfkammer mglichst deutlich

    detektierbar sind, muss das Volumen der Prfkammer klein gewhlt werden.

  • Grundkonzept

    Seite | 15

    3.2. Zndungsprfstand mit Verbrennung Ein Zndungsprfstand mit Verbrennung unterscheidet sich von einem Zndungsprfstand ohne

    Verbrennung wesentlich. Ein solcher Prfstand erfordert eine Gemischaufbereitung sowie eine

    Prfkammer mit gesteigerten Anforderungen. Durch die Verbrennung entstehen hohe Drcke,

    welche die Prfkammer sicher aufnehmen knnen muss. Auch fr den Abgastrakt ndern sich die

    Anforderungen an dessen Funktion grundlegend, denn die heien Verbrennungsgase mssen nach

    erfolgter Verbrennung und Auswertung des Versuchs sicher entspannt werden. Eine beispielhafte

    Skizze fr einen Zndungsprfstand mit Verbrennung ist in Abbildung 3.2 dargestellt.

    Abbildung 3.2: Grundkonzept eines Prfstandes mit Verbrennung

    Bei dieser Umsetzung eines Prfstandes mit Verbrennung werden Brennstoff und Druckluft in einer

    Gasmischanlage unter geringem Druck gemischt. Anschlieend wird das Gemisch verdichtet.

    Zwischen Verdichter und Prfkammer ist hier symbolisch ebenfalls eine Regelstrecke mit

    Sicherheitseinrichtungen eingetragen. Komponenten zur Regelung und vor Allem

    Sicherheitselemente mssen in jedem Bereich vorhanden sein. Durch auswechselbare

    Kolbeneinstze kann das Volumen und die Geometrie des Brennraumes variiert werden.

    Die Entwicklung eines Prfstandes mit Verbrennung ermglicht eine Vielzahl von unterschiedlichen

    Versuchen. Hier knnen je nach konstruktiver Umsetzung in der Prfkammer folgende Parameter

    variiert werden:

    Druck p

    Temperatur T

    Luftzahl

    Homogenitt des Gemisches

    Geometrie des Brennraums

  • Grundkonzept

    Seite | 16

    3.3. Auswahl des Grundkonzeptes

    Die Wahl des Grundkonzeptes wird im Rahmen einer Projektbesprechung getroffen. Als zu

    verwirklichendes Konzept wird der Zndungsprfstand mit Verbrennung gewhlt, da in einem

    solchen Prfstand vielfltigere Effekte untersucht werden knnen. Dies geschieht beispielsweise

    durch die Wahl einer entsprechenden Kolbengeometrie und einer Befllung mit reiner Luft.

    3.4. Festlegung des Gemisch Aufbereitungssystems

    Auch fr den Zndungsprfstand mit Verbrennung bestehen verschiedene Konzepte. Der

    wesentliche Unterschied liegt hier in der Gemisch-Aufbereitung. Die verschiedenen Varianten sind in

    Abbildung 3.3 dargestellt.

    Abbildung 3.3: Verschiedene Varianten eines Zndungsprfstandes mit Verbrennung

    Die in Abbildung 3.3 verwendeten Begriffe der internen und externen Gemischbildung knnen wie

    folgt verstanden werden: Bei einer internen Gemischbildung wird das zndfhige Gemisch in der

    Prfkammer des Zndungsprfstandes gebildet. Bei der externen Gemischbildung wird die

    Prfkammer mit einem zndfhigen Gemisch befllt. Dabei kann in eine Komponenten- und eine

    Gemisch-Verdichtung unterschieden werden. In Abbildung 3.4 bis Abbildung 3.6 sind Skizzen fr die

    drei mglichen Varianten interne Gemischbildung, externe Gemischbildung mit Komponenten

    Verdichtung und externe Gemischbildung mit Gemisch Verdichtung dargestellt.

  • Grundkonzept

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    Abbildung 3.4: Interne Gemischbildung

    Abbildung 3.5: Externe Gemischbildung mit Komponenten-Verdichtung

  • Grundkonzept

    Seite | 18

    Abbildung 3.6: Externe Gemischbildung mit Gemisch-Verdichtung

    Die favorisierte Variante ist hierbei die Interne Gemischbildung. Bei diesem Konzept bestehen die

    geringsten Anforderungen an die Komponenten auerhalb der Prfkammer, da diese nicht fr die

    Handhabung von zndfhigem Gemisch ausgelegt werden mssen. Eine sptere Anpassung des

    Zndungsprfstandes auf ein Konzept mit externer Gemischbildung ist jederzeit mglich.

  • Konstruktion der Prfkammer

    Seite | 19

    4. Konstruktion der Prfkammer

    Die grundlegende Konstruktion besteht aus einem Hohlzylinder, in welchem sich die Brennkammer

    befindet. Dieser wird oben und unten mit je einer Platte verschraubt. Innerhalb des Brennraumes

    wird ein weiterer Zylinder eingelegt, der eine Art Kolben darstellt. Mithilfe dessen knnen

    verschiedene Kolbenbodengeometrien untersucht werden. In Abbildung 4.1 ist eine Skizze des

    Prfstandes dargestellt. Zum Einsatz kann flssiger als auch gasfrmiger Kraftstoff kommen. Des

    Weiteren sollen alle zndkerzenbasierten Zndsysteme einsetzbar sein.

    Abbildung 4.1: Skizze des Zndkerzenprfstandes

    Die verschiedenen Konstruktionsanforderungen hinsichtlich der Randbedingungen sind in Tabelle 4.1

    zusammengefasst.

    Tabelle 4.1: Anforderungsliste an die Konstruktion

    Art des Brennstoffs Gasfrmig, flssig

    Maximaldruck in der Prfkammer

    Temperatur bei Messbeginn

    Mgliche Zndkerzentypen Alle Standard Zndkerzen bis M18x1.5

    Sensorik Druck, Temperatur, Krperschall

    Gemischbildung Gemischbildung im Brennraum

  • Konstruktion der Prfkammer

    Seite | 20

    4.1. Rechtsvorschriften ber Druckgerte

    Bereits im Anfangsstadium der Konstruktion mssen eventuell existierende Rechtsvorschriften

    Bercksichtigung finden, damit sptere nderungen vermieden werden knnen. Die infrage

    kommende Rechtsvorschrift ist die Richtlinie 97/23/EG. [21] Gem Artikel 9 Absatz 2 dieser

    Richtlinie handelt es sich bei explosionsgefhrdeten Gasen um Fluide der Gruppe 1. In Artikel 3 sind

    die Druckbehlter aufgefhrt, welche die in [21] Anhang I genannten grundlegenden Anforderungen

    erfllen mssen. Dies sind gem Artikel 3 Absatz (1), 1.1. Behlter, mit Ausnahme der unter

    Nummer 1.2 genannten Behlter1, fr Gase [] bei Fluiden der Gruppe 1, wenn das Volumen grer

    als 1 Liter und das Produkt PSV grer als 25 barLiter ist oder wenn der Druck PS grer als 200 bar

    ist (Anhang II Diagramm 1). Das genannte Diagramm ist in Abbildung 4.2 dargestellt.

    Abbildung 4.2: Einteilung der Druckbehlter in Kategorien [21] (Seite 25)

    Der Solldruck in der Prfkammer betrgt . Das Volumen der Prfkammer hngt von

    der eingesetzten Kolbengeometrie ab, wird aber weit unterhalb der 1 Liter Grenze bleiben. Folglich

    gilt fr die Konstruktion der Prfkammer Artikel 3 Abs. 3. [21] Aus diesem Absatz ist sinngem zu

    entnehmen, dass diese Prfkammer nach der in Deutschland geltenden guten Ingenieurspraxis

    ausgelegt und hergestellt werden muss, damit ein sicherer Betrieb gewhrleistet ist. [21] (Seite 3)

    Dieser Forderung wird durch die Anwendung einer Finite Elemente Berechnung, sowie durch die

    umfangreiche Dokumentation des Konstruktionsprozesses und die Erstellung eines kompletten

    normgerechten Zeichnungssatzes Rechnung getragen.

    11.2 Betrifft Schnellkochtpfe und Druckgerte zur Erzeugung von Dampf

  • Konstruktion der Prfkammer

    Seite | 21

    4.2. Kopfplatte

    Da der Zndkerzenprfstand in Bezug auf die verschiedenen Zndkerzentypen mglichst flexibel

    eingesetzt werden soll, zeichnen sich vier verschiedene konstruktive Gestaltungsmglichkeiten der

    Kopfplatte ab. Die unterschiedlichen Mglichkeiten werden in diesem Kapitel nher vorgestellt und

    die Vor- und Nachteile aufgefhrt.

    4.2.1. Flanschadapter

    Die erste Variante stellt eine mehrteilige Konstruktion dar. Sie besteht aus einer Trgerplatte und

    einem aufgeschraubten Flanschadapter. Der Vorteil liegt bei dieser Variante darin, dass bei

    Verwendung einer anderen Zndkerze lediglich der Adapter ersetzt werden muss und nicht die

    komplette Kopfplattenbaugruppe. In Abbildung 4.3 ist eine CAD Ansicht der Kopfplatte aufgezeigt.

    Abbildung 4.3: Kopfplatte mit geflanschtem Adapter

    Diese zunchst einfach und praktikabel erscheinende Konstruktion muss aufgrund einer zustzlichen

    Anforderung jedoch berarbeitet werden. Diese Anforderung, die im Laufe des

    Konstruktionsprozesses entstand, sieht anstatt einer einfachen Bohrung als Einspritzkanal die

    Verwendung eines Benzininjektors vor. Dieser muss in einer bestimmten Lage zur Zndkerze

    eingebracht werden. Sollen alle Zndkerzen mit einem angeflanschten Adapter montierbar sein,

    mssen der Adapter und folglich auch der Flansch entsprechend gro angefertigt werden, wodurch

    der Einbau des Injektors aus Platzgrnden nicht mehr mglich ist. Aus diesem Grund wird in der

    nchsten Konstruktion zunchst versucht, den Flansch zu vermeiden.

  • Konstruktion der Prfkammer

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    4.2.2. Einschraubadapter

    Um den Flansch zu vermeiden und zustzlichen Bauraum zu erhalten liegt es nahe, den Adapter

    direkt einzuschrauben. Auch hierbei liegt der Vorteil darin, dass beim Einsatz verschiedener

    Zndkerzen nicht die ganze Baugruppe, sondern nur der Adapter gewechselt werden muss. Ein

    weiterer Vorteil gegenber der erstgenannten Version stellt sich durch die Einsparung der Schrauben

    dar. In Abbildung 4.4 ist das CAD Modell dieser Variante aufgezeigt.

    Abbildung 4.4: Kopfplatte mit eingeschraubtem Adapter

    Bei diesem Adapter entstehen jedoch Bedenken hinsichtlich eines sicheren Betriebes. Die

    Problematik ergibt sich durch das Ausdrehen der Zndkerze aus dem eingeschraubten Adapter.

    Sobald eine Zndkerze ausgeschraubt wird, ist die Mglichkeit des Lsens des Adapters gegeben und

    somit die sichere Abdichtung nicht mehr gewhrleistet.

  • Konstruktion der Prfkammer

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    4.2.3. Adapter mit berwurfklemmung

    Aufgrund der bei dem zuvor aufgezeigten Adapter auftretenden Problematik des Mitdrehens, wird

    eine weitere Version der Kopfplatte entwickelt. Diese besteht aus einem Zndkerzenadapter und

    einer berwurfmutter. In dem Zndkerzenadapter sind zwei Stahlstifte eingebracht, um eine

    Verdrehung zu verhindern. Als Abdichtung zum Brennraum hin wird zunchst eine metallische

    Flachdichtung vorgesehen. Zur Verspannung wird anschlieend die berwurfmutter aufgedreht. Der

    Vorteil dieses Deckels besteht in der einfachen Fertigung mehrerer Adapter fr die verschiedenen

    Zndkerzengewinde. In Abbildung 4.5 ist diese Version der Kopfplatte dargestellt.

    Abbildung 4.5: Kopfplatte mit durch berwurf befestigtem Adapter

    Damit alle Zndkerzentypen bis hin zu den Zndsystemen mit M18x1.5 Gewinde einsetzbar sind,

    mssen der Adapter und die berwurfmutter trotz des weiterhin vermiedenen Flansches immer

    noch relativ gro hinsichtlich des Durchmessers ausgefhrt werden. Zum Einen fllt der Platzgewinn

    fr den Injektor zu gering aus, zum Anderen zeigen erste Finite Elemente Berechnungen eine starke

    Schwchung der Baugruppe aufgrund des Bohrungsdurchmessers. Somit zeigt sich eine

    Weiterkonstruktion dieser Version nicht besonders sinnvoll.

  • Konstruktion der Prfkammer

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    4.2.4. Wechselkopf

    In der vierten Version wird ein einteiliger Deckel konstruiert. Hierdurch muss fr jede individuelle

    Zndkerze eine eigene Kopfplatte gefertigt werden. Dies bietet nun die Mglichkeit, den Injektor und

    die Zndkerze frei zu platzieren. In Abbildung 4.6 ist eine CAD Ansicht des Wechselkopfes dargestellt.

    Abbildung 4.6: Kopfplatte ohne Wechseladapter

    Vorteilhaft ist diese Konstruktion, da sie keine weiteren Dichtstellen enthlt. Dieser Umstand weist

    sich im weiteren Verlauf der Konstruktion noch als sehr ntzlich heraus, da sich die Abdichtung unter

    den gegebenen Einsatzbedingungen als uerst anspruchsvoll herausstellt. Weiterhin bietet es sich

    nun an, den Krperschallsensor auf der Oberseite der Kopfplatte anzubringen.

    4.3. Abdichtung

    Da im Zndungsprfstand eine Entflammung des Kraftstoff-Luftgemisches stattfindet, werden Drcke

    von bis zu 200 bar erwartet, was eine besondere Anforderung an die Dichtungselemente stellt.

    Darber hinaus wird der Prfstand konstant auf einer Temperatur von 300C gehalten, wodurch

    weitere Herausforderungen an die Dichtstellen gestellt werden. Eine Recherche zeigt, dass lediglich

    metallische Flachdichtungen, metallische O-Ringe, Hochtemperatur-O-Ringe und Graphitdichtungen

    fr diese Temperatur oder Druckbereiche geeignet sind.

  • Konstruktion der Prfkammer

    Seite | 25

    4.3.1. Metallische Flachdichtungen

    Metallische Flachdichtungen eignen sich sowohl fr den vorgegebenen Temperaturbereich als auch

    fr solch hohe Drcke. In Frage kommt fr die Verschraubung der sthlernen Teile eine

    Flachdichtung aus Kupfer. Der Einsatzbereich bezglich der Flchenpressung dieser Kupferdichtungen

    betrgt laut Herstellerdatenblatt (siehe Anhang B)

    . Eine FEM Simulation

    zeigt eine Flchenpressung der Kupferflachdichtung im vorgespannten Zustand von

    . Der Betriebsdruck wirkt in diesem Simulationsschritt noch nicht. Nach Beaufschlagung des

    Brennraumes mit einem Druck von sinkt die Flchenpressung der Dichtung auf

    (siehe Anhang Kapitel A.5). Laut dieser Berechnungen eignet sich eine einfache

    Kupferflachdichtung nicht fr diese Anwendung. Die anderen Dichtungswerkstoffe sind aufgrund

    ihrer hohen Mindestflchenpressung ungeeignet, da sich die Dichtung in das Werkstck einpressen

    wrde.

    4.3.2. Metallische O-Ringe

    Metallische O-Ringe bestehen aus einem beschichteten oder unbeschichteten Metallring, der in eine

    Nut eingelegt wird und mit einer definierten Verformungskraft durch den Gegenflansch verpresst

    wird. Fr Hochdruckanwendungen mit erhhten Temperaturen, wie sie in diesem Projekt vorliegt,

    knnen Stickstoff gefllte Dichtringe eingesetzt werden. Bei diesen Dichtringen steigt der Druck im

    Inneren mit steigender Temperatur, wodurch die Dichtwirkung erhht wird. Bei dieser Art der

    Abdichtung bestehen keinerlei Bedenken hinsichtlich der technischen Anforderungen. Ein

    Anwendungsgebiet dieser metallischen O-Ringe ist laut Hersteller Trelleborg die

    Kernkraftwerkstechnik. Bei einer telefonischen technischen Beratung wird die Eignung dieser

    Dichtmittel fr die Anwendung im Zndungsprfstand besttigt, aber dennoch vom Einsatz

    abgeraten, da der Stckpreis einer Dichtung bei einer Abnahmemenge von 100 Stck bei ca. 100

    angesetzt werden kann. [24]

    4.3.3. Hochtemperatur O-Ringe

    Im Internet werben viele Firmen mit O-Ringen fr Hochtemperaturanwendungen. Eine telefonische

    Rcksprache mit einigen Anbietern zeigt jedoch auch bei dieser Abdichtungstechnik Schwchen auf.

    Die Problematik liegt hier in den starken Druckspitzen in Kombination mit der hohen Temperatur.

    Diese Druckschwankungen wrden die Hochtemperatur-O-Ringe bereits nach wenigen Versuchen

    zerstren.

    4.3.4. Graphit Flachdichtung

    Graphit Flachdichtungen zeichnen sich durch ihre sehr hohe Druckbestndigkeit bis 250 bar und ihre

    hervorragende thermische Belastbarkeit bis zu 550C aus. Auf Anfrage bei den Frenzelit Werken

    stellte sich heraus, dass mittels einer Software auch die dazu passende Dichtungsgeometrie und die

    Verschraubung berechnet werden kann. Durch kompetente Beratung seitens der Frenzelit Werke

    wird die Dichtung Novaphit SST fr den Prfstand ausgewhlt. Da dieses Projekt bei Frenzelit auf

    groes Interesse stt, werden der Hochschule diese Dichtungen voraussichtlich kostenlos zur

    Verfgung gestellt. [5]

  • Konstruktion der Prfkammer

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    4.4. Sicherheitseinrichtung berlastfall

    Da im Zndungsprfstand Drcke von bis zu 250 bar erwartet werden, ist es unabdingbar, eine

    Sicherheitseinrichtung fr den berlastfall zu verbauen. Diese ist ntig, um im berlastfall einer

    Gefhrdung des Laborpersonals durch Zerstrung der Prfeinrichtung vorzubeugen. Im Laufe der

    Entwicklung des Prfstandes wurden drei Mglichkeiten fr den berlastfall erarbeitet. Diese

    werden im Folgenden kurz erlutert.

    4.4.1. Berstkolben

    Der Einsatz eines Berstkolbens stellt hier eine Mglichkeit dar, entstehenden berdruck abzubauen.

    Dieser wird so konstruiert, dass er bei einem berdruck ausbeult und somit den Brennraum

    vergrert. Hierdurch sinkt der Druck im Brennraum. In Abbildung 4.7 ist die Konstruktion des

    Zndkerzenprfstandes mit Berstkolben dargestellt. Die Einknickung des Kolbens ist in der Abbildung

    angedeutet.

    Abbildung 4.7: Berstkolben als Sicherheitseinrichtung

    Der Kolben muss fr diese Anwendung so konstruiert werden, dass er sich mglichst wenig elastisch

    verformt und beim Erreichen der Knicklast ausbeult. Dies scheint durchaus konstruktiv umsetzbar.

    Verbleibende elastische Verformungen, bei zulssigen Drcken, wrden hier die aufgezeichneten

    Druckkennlinien leicht verflschen. Problematisch hierbei ist jedoch die Abdichtung zwischen

    Kolbenunterseite und Brennraum. Wird hier keine absolute Dichtigkeit erreicht, sind die

    aufgezeichneten Druckkennlinien unbrauchbar.

    4.4.2. Federkolben

    Eine weitere Mglichkeit, den Brennraum bei entstehendem berdruck zu vergrern, kann mittels

    eines Federpaketes unter dem Kolben verwirklicht werden. Der Aufbau einer solchen Variante ist in

    Abbildung 4.8 dargestellt.

  • Konstruktion der Prfkammer

    Seite | 27

    Abbildung 4.8: Gefederter Kolben als Sicherheitseinrichtung

    Nachteil dieser Variante ist zum Einen die komplizierte Abdichtung des Kolbens zum Brennraum. Hier

    ergeben sich Probleme bei der Dichtungsauslegung, da die Federn bei Raumtemperatur vorgespannt

    werden und im spteren Betrieb unter Temperaturbelastung einen genderten E-Modul aufweisen.

    Das Ausschlusskriterium fr diese Konstruktion ergibt sich aus sicherheitstechnischen Bedenken. Bei

    Erreichen des Maximaldruckes von bei einer Solltemperatur von muss

    die Gaskraft, die von oben auf den Kolben wirkt, grer sein als die entgegenwirkende Federkraft

    und die bentigte Restklemmkraft der Dichtstelle. Wird die Sicherheitseinrichtung fr diesen

    Betriebspunkt ausgelegt und entsprechend justiert, ist die Funktion bei Raumtemperatur nicht

    gewhrleistet. Dies begrndet sich, wie in Abbildung 4.9 gezeigt, durch den temperaturabhngigen E-

    Modul der Federwerkstoffe. Der E-Modul ist bei Raumtemperatur deutlich hher als bei

    Versuchstemperatur. Hieraus resultieren bei Raumtemperatur wesentlich hhere Anpresskrfte, die

    das Auslsen bei verhindern.

    Abbildung 4.9: Federkennlinie des Werkstoffes X22CrMoV12-1 [1]

  • Konstruktion der Prfkammer

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    4.4.3. Externes Sicherheitsventil

    Eine weitere Mglichkeit bietet sich durch den Einsatz eines berdruckventils, welches direkt in die

    Zylinderwandung eingebaut werden kann oder verbunden mit einer Rohrleitung extern angeordnet

    werden kann. Der Einbau in die Zylinderwandung erfordert ein Miniaturventil und ist hier aus

    konstruktiver Sicht die elegantere Lsung. Problematisch ist hierbei jedoch die Zylindertemperatur

    von , der das komplette Ventil ausgesetzt ist. Eine Anfrage bei der Firma Lee, welche

    Miniatursicherheitsventile fr Anwendungen bei 300C herstellt, zeigt, dass sich die Kosten fr ein

    solches Ventil auf ca. 800 belaufen. Aufgrund der Forderung nach einer kostenbewussten

    Konstruktion wird deshalb ein externes Sicherheitsventil mit einer kurzen Verrohrung eingesetzt.

    Durch die externe Anordnung des Ventils ist es wesentlich geringeren Temperaturen ausgesetzt und

    die Bauform ist frei whlbar.

    4.5. Konstruktion der Gesamtbaugruppe

    Bei einer Projektbesprechung wurden die verschiedenen Varianten und Konstruktionen besprochen

    und die Entscheidung fr die endgltige Variante getroffen. In diesem Abschnitt des Projektberichtes

    wird die Gesamtbaugruppe vorgestellt und erlutert. In Abbildung 4.10 ist eine Schnittansicht der

    Prfkammer dargestellt.

    Abbildung 4.10: Schnittansicht der Prfkammer

    Verwendung findet in dieser Konstruktion der in Kapitel 4.2 vorgestellte Wechselkopf. Das

    Einspritzventil, die Zndkerze und der Klopfsensor sind in die Kopfplatte eingebaut. Die Anordnung

    des Einspritzventils ist hier so gewhlt, dass der Kraftstoff in die Kolbenmulde eingespritzt wird.

    Durch das Einspritzen in die Kolbenmulde wird ein Verwirbeln des Kraftstoffes ermglicht. Der

    Kolben ist mit der Fuplatte verschraubt und lsst sich somit auswechseln. Verschraubt wird die

    Prfkammer mittels 8 M16 Schrauben mit der Festigkeitsklasse 10.9. Die Schrauben sind unten im

    Prfkammerfu versenkt, damit eine ebene Auflageflche entsteht. Die Befestigungsgewinde

    befinden sich in der Kopfplatte. Die gesamte Prfkammer ist mit einer Herdplatte beheizbar und soll

  • Konstruktion der Prfkammer

    Seite | 29

    so vor jedem Versuch auf die Starttemperatur temperiert werden. So sollen

    gleichbleibende Einsatzbedingungen geschaffen werden. Der Zndkerzenprfstand wird fr die

    Messungen isoliert. Hierdurch sollen ebenfalls konstante Einsatzbedingungen geschaffen werden.

    Der Drucksensor wird mittels einer berwurfmutter seitlich in den Zylinder eingeschraubt. Das

    Thermoelement, die Lufteinlassrohre sowie das Auslass- und Sicherheitsventil werden mittels

    Edelstahl Einschraubverschraubungen mit einem Zoll NPT Rohrgewinde mit der Prfkammer

    verbunden. In Abbildung 4.11 ist eine solche Verschraubung dargestellt.

    Abbildung 4.11: Zoll Einschraubverschraubung

    In die Einschraubverschraubungen wird die Rohrleitung eingesteckt, anschlieend wird der

    Schneidring darber geschoben und mittels der berwurfmutter verspannt. [23] Durch die

    Verwendung des kegeligen NPT Gewindes entfallen zustzliche Dichtelemente, da dieses

    selbstdichtend ist. Eine bersicht der Luftkanle und der Anordnung der Sensorik ist in Abbildung

    4.12 dargestellt.

    Abbildung 4.12: Anordnung der Luftkanle und der Messtechnik

    Die Anordnung der Lufteinlsse fhrt ebenso wie die Anordnung des Einspritzventils zu einer

    Verwirbelung des Gemisches im Brennraum. Das Auslassventil sowie das Sicherheitsventil werden in

    einem bisher noch nicht festgelegten Abstand zur Brennkammer angebracht. Das Thermoelement

    kann beliebig weit in den Brennraum eingeschoben werden, um die aussagekrftigsten Messdaten zu

    erhalten.

  • Verwendete Sensoren

    Seite | 30

    5. Verwendete Sensoren

    5.1. Temperaturmessung

    In der Prfkammer werden Temperaturfhler fr einen groen Wertebereich eingesetzt. Die Zeit, in

    der nach der Zndung interessante Temperaturverlufe im Verbrennungsgas entstehen, beluft sich

    auf etwa 30-50ms, was eine hohe dynamische Anforderung an die Temperaturmessung in der

    Prfkammer stellt. Solch hochdynamische Temperaturmessungen knnen mit einem dnnen

    Widerstandsdraht durchgefhrt werden. Dieser dnne Widerstandsdraht eignet sich allerdings nicht

    fr den bentigten Temperaturbereich. Eine weitere Mglichkeit besteht in der Verwendung zweier

    Messdrhte, welche in eine Bohrung eingeklebt werden und bndig mit der Innenwand abschlieen.

    Diese Messtechnologie ist zwar hinsichtlich der Dynamik ungnstiger, wre aber fr den

    Temperaturbereich geeignet. Die Montage mittels Einkleben ist allerdings fr den Druckbereich nicht

    geeignet. Die derweilen einzig erkennbare Mglichkeit der Temperaturmessung, die allen

    Anforderungen entsprechen wrde, ist die Infrarotmessung. Hierbei wird die Gastemperatur von

    auen durch ein Schauglas hindurch gemessen. Auf Anfrage hin stellt sich dieses Messprinzip

    allerdings als zu kostspielig heraus. Aus diesem Grund werden Abstriche hinsichtlich der

    dynamischen Anforderungen gemacht und handelsbliche Thermoelemente eingesetzt. Hierdurch

    wird jedoch nur ein qualitativer Vergleich der Temperaturmessreihen ermglicht, da sie den

    Temperaturverlauf nur verzgert aufzeichnen. Ein Thermoelement wird mittels einer Bohrung durch

    die Zylinderwand in den Verbrennungsraum eingefhrt und mittels Einschraubverschraubung

    befestigt. Weitere Thermoelemente werden in Kopf- und Fuplatte angeordnet. Zur Messung wird

    ein digitaler Datenlogger der Firma Voltcraft eingesetzt. Die technischen Informationen zur

    Temperaturmessung entstammen einer freundlichen und kompetenten Beratung durch die Firma

    Omega Engineering Inc.

    5.2. Messung des Druckverlaufs

    Um den Druckverlauf der verschiedenen Zndkerzen messen zu knnen, kommt ein bereits an der

    Hochschule vorhandener Druckquarz der Firma Kistler zum Einsatz. Das zugehrige Datenblatt

    befindet sich im Anhang B. Er wird ebenfalls durch eine Bohrung in der Zylinderwand in den

    Brennraum eingesetzt und verschraubt. Hierzu muss, wie dem Datenblatt zu entnehmen ist, eine

    berwurfmutter gefertigt werden. Der fr die Datenaufbereitung bentigte Ladungsverstrker wird

    vom Fachbereich Motortechnik des IKKU der Hochschule Karlsruhe zur Verfgung gestellt.

    5.3. Krperschallsensor

    Um die hochfrequenten Schwingungsanteile, die fr eine klopfende Verbrennung typisch sind, zu

    erkennen kommen bei Ottomotoren Krperschallsensoren zum Einsatz. Im Zndungsprfstand wird

    ebenfalls ein Krperschallsensor aus der Kraftfahrzeugtechnik verbaut. Dies geschieht vor dem

    Hintergrund eventuell auch aus diesen Kennlinien Rckschlsse ber Verbrennung und Entzndung

    zu ziehen.

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 31

    6. Finite Elemente Berechnung

    Die Berechnung der auftretenden Spannungen in den verschiedenen Bauteilen erfolgt mittels der

    Finite-Elemente-Methode (FEM)2 unter Verwendung der von Dassault-Systemes verffentlichten

    Software Abaqus. Die Anwendung der FEM erfordert ein hohes Ma an Erfahrung und Fachwissen.

    Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, erfolgen der Modellaufbau sowie die Berechnung in

    Absprache mit Herrn Prof. Dr. Ing. Otto-Ernst Bernhardi. Fr die Anwendung der FEM bedarf es

    eines speziell dafr aufbereiteten CAD-Modells. Dessen Aufbau wird im folgenden Abschnitt kurz

    erlutert.

    6.1. Modellierung

    Das CAD Modell, welches im Laufe des Konstruktionsvorgangs immer weiter verfeinert wird,

    beinhaltet alle Details, die spter in der Fertigung der Bauteile eingearbeitet werden. Beim Modell

    fr die FEM Berechnung hingegen werden fr die Berechnung irrelevante Details entfernt, um

    einerseits die Vernetzung mit den Finiten Elementen zu vereinfachen und andererseits die Anzahl der

    bentigten Elemente zu verringern. Ein gutes Beispiel hierfr sind Fasen an Bauteilkanten, die

    lediglich als Montagehilfe dienen. Die Reduzierung der Elemente bietet eine schnellere Auswertung

    der Studien und ist zwingend notwendig, da die Abaqus Lehrlizenz der HS Karlsruhe Technik und

    Wirtschaft auf 20000 Knoten beschrnkt ist. Weiterer Abnderungen bedarf es bei der Anordnung

    der Bohrungen fr den Injektor. Im spteren Prfstand wird ein Injektor eingebaut. Hierdurch ist der

    Kopf des Prfstandes ein asymmetrisches Bauteil. Um eine Symmetrie des Bauteils zu erhalten,

    werden im FEM Modell vier Bohrungen fr den Injektor vorgesehen. Hierdurch muss nur ein Viertel

    der Gesamtgeometrie mittels der FEM Rechnung ausgewertet werden. Das Verhalten des

    kompletten Prfstandes wird durch Symmetrie Randbedingungen nachgebildet. Diese werden spter

    genauer erlutert. Des Weiteren werden der Injektor sowie die Zndkerze aus dem Modell entfernt.

    Diese zugekauften Bauteile sind fr die vorherrschenden Drcke und Temperaturen ausgelegt und

    mssen folglich nicht mitberechnet werden. Das Gewinde in der Zndkerzenbohrung wird ebenfalls

    vernachlssigt. Auch die Befestigungsbohrungen fr das Injektor-Halteblech sowie das Halteblech

    selbst werden aus der Baugruppe entfernt, um die Anzahl der zur Vernetzung bentigten FE weiter

    zu verringern. Die Bohrungen zur Aufnahme des Injektors und der Zndkerze werden im FEM Modell

    an ihrer Unterseite verschlossen, damit die vom Verbrennungsdruck beaufschlagte Flche nicht

    vermindert wird. Ein Screenshot des FEM Modells ist in Abbildung 6.1 gezeigt.

    2 Das Finite Elemente Verfahren ist ein numerisches Lsungsverfahren fr partielle Differentialgleichungen, das fr unterschiedliche Problemstellungen im Ingenieurswesen angewandt wird.[18]

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 32

    Abbildung 6.1: FEM Modell des Zndungsprfstandes

    Die verwendeten Schrauben sind ebenfalls stark vereinfacht modelliert. Sie bestehen lediglich aus

    zwei zylindrischen Krpern ohne Gewindegnge, Antriebsgeometrie im Schraubenkopf oder

    Rundungen und Fasen. Der Schaftdurchmesser der Schraube entspricht dabei nicht dem Nennma,

    sondern wird entsprechend des Spannungsquerschnitts gewhlt, der betrgt, um

    realistische Spannungen zu erhalten. Eine Schraube ist in Abbildung 6.2 gezeigt.

    Abbildung 6.2: FEM Modell der Schrauben

    Auf die Modellierung der Dichtungen als separate Bauteile wird verzichtet, da diese ein unbekanntes

    elastoplastisches Materialverhalten aufweisen. Auch wenn die Dichtungen nicht mit modelliert

    werden, ist die FE Berechnung trotzdem auch fr die Problematik der Abdichtung aufschlussreich, da

    die vorhandenen Kontaktkrfte im Dichtungsbereich in allen Lastfllen ermittelt werden knnen.

    Duplizierte und ver-

    schlossene Injektor-

    bohrungen

    Verschlossene

    Zndkerzenbohrung

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 33

    6.2. Materialdefinition

    Da diese FEM Analyse der Auslegung und einer ersten Spannungsabschtzung dient, ist die genaue

    Materialauswahl noch nicht getroffen. Die Bauteile werden als allgemeine Stahlbauteile mit den in

    Tabelle 6.1 angegebenen Eigenschaften definiert.

    Tabelle 6.1: Materialparameter fr die FEM Analyse

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Elastizittsmodul E 210000

    Querkontraktionszahl

    Dichte

    Die verwendeten Einheiten ergeben mit den Lngenmaen in Millimetern und Drcken in

    Megapascal ein konsistentes Einheitensystem, wie es fr die FEM Programme verwendet werden

    muss. Nach der Definition des Materials wird dieses jedem Bauteil zugewiesen. Im Anschluss an die

    Materialdefinition folgt die Definition der Kontakte, welche die Interaktionen zwischen den Bauteilen

    beschreiben.

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 34

    6.3. Kontaktbedingungen

    Die Definition der Kontaktbedingungen stellt in der FEM oft einen Knackpunkt dar. Schon kleine

    Fehler in der Definition dieser Interaktionen knnen zu numerisch instabilen Modellen fhren, fr

    deren Lsungen keine Konvergenz besteht. Die einfachste Kontaktdefinition in Abaqus sind Tie

    Contacts. Diese verkrpern eine fest verklebte Verbindung und werden im vorliegenden Modell fr

    die Einschraubverbindung der Zylinderkopfschraube im Kopf des Prfstandes verwendet. Diese

    Kontakdefinition ist in Abbildung 6.3 gezeigt.

    Abbildung 6.3: Tie Contact zur Verbindung des Zylinderkopfes mit der Zylinderkopfschraube

    Der Schraubenkopf steht mit der Fuplatte durch eine reibschlssige Verbindung in Kontakt. Er wird

    in Abaqus durch einen surface to surface Kontakt modelliert, welcher verschiedene

    Einstellmglichkeiten aufweist. Gewhlt wird hier ein small sliding Kontakt, der fr das Verschieben

    der Bauteile zueinander in tangentialer Richtung einen Reibkoeffizienten von aufweist. In

    Normalenrichtung wird die Option hard contact ausgewhlt. Die Kontaktflchen eines

    Kontaktpaares werden in Abaqus mit Master und Slave bezeichnet. Die Definition der Master

    und Slave Flchen erfolgt dabei entsprechend [3]. Die Kontaktdefinitionen zwischen der Kopfplatte

    des Prfstandes und dem Zylinderrohr erfolgen mit denselben Einstellungen, ebenso der Kontakt

    zwischen Zylinderrohr und Fuplatte.

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 35

    6.4. Randbedingungen

    Im nchsten Schritt werden die Randbedingungen auf das Modell appliziert. Hier spielen nun die in

    Abschnitt 6.1 erwhnten Symmetrieeigenschaften eine Rolle. Um ein realistisches Verhalten der

    Gesamtbaugruppe zu erzielen, wird das geviertelte Modell mit Symmetrierandbedingungen

    versehen. Beispielhaft ist in Abbildung 6.4 die Randbedingung in x-Richtung, also die Symmetrie zur

    yz-Ebene gezeigt.

    Abbildung 6.4: Symmetrierandbedingung in x-Richtung auf der farblich hervorgehobenen Flche

    Im Edit Boundary Condition Fenster in Abbildung 6.4 wird ersichtlich, dass die Option XSYMM eine Zusammenfassung folgender Randbedingungen darstellt:

    U1 = 0

    UR2 = 0

    UR3 = 0 Hierbei bedeutet U1 die Verschiebung in Richtung 1. Diese entspricht der globalen x-Richtung. UR2 ist gleichbedeutend mit der Rotation um die zweite Richtung, was einer Rotation um die globale y-Achse entspricht. Entsprechend bedeutet UR3 eine Rotation um die globale z-Achse. Eine zweite Symmetrierandbedingung YSYMM, welche die Symmetrie in der xz-Ebene realisiert, wird entsprechend aufgeprgt. Das Modell besitzt nun noch einen Freiheitsgrad in z-Richtung. Die Starrkrperbewegung in dieser Richtung wird durch eine zustzliche Verschiebungsrandbedingung verhindert, welche auf einen Eckpunkt appliziert wird.

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 36

    Diese Randbedingung ist in Abbildung 6.5 gezeigt. Eine Auswahl der kompletten Unterseite der Fuplatte ist hier fehlerhaft, da hierdurch die auftretende Durchbiegung verhindert wrde.

    Abbildung 6.5: Verschiebungsrandbedingung in z-Richtung

    Im Anschluss an die Definition der Randbedingungen werden die auftretenden Lasten im Modell

    angelegt. Fr die Simulation des Zndkerzenprfstandes liegen hier zwei Lastflle vor. Die Lastflle

    werden in Abaqus als steps bezeichnet.

    Ausgewhlter Eckpunkt

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 37

    6.5. Aufbringen der Last

    Im ersten step werden die Schrauben mit einer Kraft von je Schraube

    vorgespannt. Dies geschieht durch die Definition einer bolt load, welche im Inneren der Schraube

    eine Stauchung erzeugt, bis die gewnschte Vorspannkraft erreicht wird. Auf diese Weise sind alle

    auftretenden Verformungen der angrenzenden Teile beim Vorspannen der Schrauben bercksichtigt.

    Der zweite step enthlt neben der Belastung durch den Verbrennungsdruck ebenfalls nderungen

    im Schraubenverhalten. Dieses wird nun als fix at current length festgelegt. Hierdurch wird eine

    Schraubenverbindung erzeugt, bei der sich die Spannungen in der Schraube bei Dehnung realittsnah

    fr die Belastung mit Innenddruck erhhen. Der Innendruck wird mit als skalare Gre

    auf alle Innenflchen gem Abbildung 6.6 aufgebracht. Die Form der angewandten Druck-Amplitude

    wird beim Standardfall Ramp belassen, da es sich lediglich um eine statische Simulation des

    Maximaldrucks handelt. ber die Notwendigkeit einer transienten FEM Analyse der Prfkammer

    kann nach Durchfhrung der ersten Messungen entschieden werden.

    Abbildung 6.6: Applizierte Drucklast

    Da nun Randbedingungen und Lasten definiert sind, kann die Vernetzung der einzelnen Bauteile

    erfolgen.

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 38

    6.6. Vernetzung der Geometrie

    Die Bauteile werden fr diese Analyse mit Elementen des Typs C3D10 vernetzt. Hierbei handelt es

    sich um quadratische 10 Knoten Tetraeder Elemente. Die Abaqus Lehrlizenz, welche an der

    Hochschule zur Verfgung steht, ist in Ihrer Anwendung auf 20000 Knoten beschrnkt. Aus diesem

    Grund wird mit einem Viertelmodell gerechnet und darauf geachtet, das Modell nur so fein wie ntig

    zu vernetzen. Die Vernetzung erfolgt fr jedes Bauteil separat. Hierdurch entstehen an den

    Kontaktflchen keine durchgngigen Netze. Dies stellt jedoch fr die Kontaktalgorithmen kein

    Problem dar. Die vernetzte Baugruppe ist in Abbildung 6.7 dargestellt.

    Abbildung 6.7: Vernetzte Geometrie

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 39

    6.7. Ergebnisse der FEM Analyse

    Zur berprfung der Plausibilitt der FEM Berechnung werden die Spannungen in den

    vorgespannten Schrauben analytisch nachgerechnet. Stimmen die Ergebnisse mit der Simulation

    berein, kann davon ausgegangen werden, dass das Modell mit den Kontaktdefinitionen und

    Randbedingungen richtig definiert ist. Das FEM-Modell kann dann fr die Auswahl des Materials und

    fr die Berechnung der Sicherheiten herangezogen werden. Die Vorspannung in den Schrauben

    ergibt sich nach Gleichung (1).

    (1)

    Tabelle 6.2: In Gleichung (1) verwendete Gren

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Vorspannkraft F 75000

    Vorspannung 478

    Spannungsquerschnitt 157

    Die FEM Berechnung der Schraubenvorspannung ergibt fr die zentralen Knoten in den Schrauben

    eine Spannung von

    . Ein Spannungsplot fr den Lastschritt Schraubenvorspannung

    ist in Abbildung 6.8 dargestellt. Durch die gute bereinstimmung der Vergleichsrechnung mit der

    FEM Analyse wird das Modell als korrekt angenommen.

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 40

    Abbildung 6.8: Spannung in den vorgespannten Schrauben

    Die Vergleichsspannung nach von-Mises liegt auerhalb der Schrauben bei .

    Nach der berprfung des Lastschritts Vorspannung kann mit der Betrachtung der Ergebnisse im

    zweiten Lastschritt begonnen werden. Durch den in diesem Lastschritt vorherrschenden Innendruck

    ist mit einer hheren Belastung der Schrauben zu rechnen. Zugleich sollten die Kopf- und Fuplatte

    durch die Schraubenarbeitskraft entlastet werden. Die FEM Analyse zeigt das erwartete Verhalten

    der Schraubenverbindung. Die maximale Vergleichsspannung in den Schrauben liegt unter Belastung

    mit Innendruck bei

    . Die Kopfplatte sowie die Fuplatte werden in den Bereichen der

    Verschraubung auf eine Vergleichsspannung von

    entlastet. Diese Bereiche sind trotz

    der Entlastung im Vergleich zum Lastschritt Vorspannung die am hchsten belasteten Zonen. Die

    maximale Vergleichsspannung des Zylinders tritt an den Luftkanlen auf und betrgt

    .

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 41

    Ein Spannungsplot im Zylinderschnitt sowie ein Plot des gesamten Modells sind in Abbildung 6.9 und

    Abbildung 6.10 dargestellt.

    Abbildung 6.9: Vergleichsspannung in den Schrauben unter Drucklast

    Abbildung 6.10: Vergleichsspannung in der Prfkammer bei Drucklast

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 42

    6.8. Materialauswahl und Berechnung der Sicherheit

    Fr die Verschraubung werden Zylinderkopfschrauben mit Innensechskant der Festigkeitsklasse 10.9

    gewhlt. Diese besitzen eine Mindeststreckgrenze von

    . Fr die Schrauben ergibt

    sich die Sicherheit gegen Flieen nach Gleichung (2):

    (2)

    Tabelle 6.3: In Gleichung (2) verwendete Gren

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Schraubensicherheit 1.64 -

    Schrauben Mindeststreckgrenze

    900

    Maximale Vergleichsspan-nungen der Schrauben

    550

    Fr die anzufertigenden Teile der Prfkammer wird der Vergtungsstahl C45 gewhlt. Dieser weist

    nach [9] eine Grenzflchenpressung von

    auf. Die Sicherheit gegen Flieen im Bereich

    der Schraubenauflageflchen ergibt sich fr die Platten nach Gleichung (3).

    (3)

    Tabelle 6.4: In Gleichung (3) verwendete Gren

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Sicherheit der Schraubenauflageflche

    2.8 -

    Grenzflchenpressung 700

    Maximale Vergleichsspan-nungen der Platten

    250

  • Finite Elemente Berechnung

    Seite | 43

    Im Zylinder treten geringere Spannungen auf. Sie entstehen an den Kanten der Luftbohrungen und

    betragen, wie in Abbildung 6.10 dargestellt, maximal . Fr den vorhandenen

    Durchmesserbereich von betrgt die Streckgrenze nach einem Datenblatt der Firma

    Saarstahl

    (siehe Anhang B). Die Sicherheit gegen Flieen ergibt sich damit nach

    Gleichung (4).

    (4)

    Tabelle 6.5: In Gleichung (4) verwendete Gren

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Sicherheit im Zylinder 1.96 -

    Streckgrenze C45 275

    Maximale Vergleichsspan-nungen im Zylinder

    140

    Die Mindestsicherheit gegen Flieen betrgt . [9] Die hier ermittelten Sicherheiten sind

    somit fr einen maximalen Druck von ausreichend. Der sptere Betriebsdruck liegt

    bei . Fr den Fall des Versagens einzelner Regelkomponenten sollte auch betrachtet

    werden, wie sich die Gefahren fr das Bedienpersonal im Falle eines Unglcks uern. Bei einer sehr

    starken berbelastung der Prfkammer ist in erster Linie mit einem Versagen der

    Schraubenverbindung zu rechnen. Dies ist insofern unkritisch, da mit berlastung der Schrauben

    automatisch eine Leckage eintritt, die einen weiteren Anstieg des Druckes verhindert. Mit dem Bruch

    von einzelnen Teilen in Kombination mit dem Herausschieen von Bruchstcken ist somit nach

    jetzigem Kenntnisstand auch beim Versagen aller Sicherheitsmanahmen nicht zu rechnen. Wie in

    Kapitel 4 bereits erwhnt, muss diese Prfkammer nicht nach den Rechtsvorschriften fr Druckgerte

    geprft werden. Trotzdem erscheint eine simulierte berlastung mit einem inkompressiblen Fluid als

    sinnvoll, um eventuelle Fehler ausschlieen zu knnen.

  • Anhang

    Seite | I

    Anhang

  • Berechnungen

    Seite | II

    A. Berechnungen

    A.1. Abschtzung der Druckerhhung durch einen Zndfunken in einer

    kleinen luftgefllten Prfkammer

    Annahmen: - Medium Luft - Isochore Wrmezufuhr durch Zndenergie - Wrmebergang an Prfkammer wird zur Abschtzung der

    maximalen Druckerhhung vernachlssigt. - Spezifische Wrmekapazitt wird als konstant angenommen

    Die Zustandsgren der Luft werden dem VDI Wrmeatlas entnommen [27]. In Tabelle A.1 sind die gegebenen Gren zur Berechnung aufgefhrt.

    Tabelle A.1:Gegebene Werte fr die Berechnung

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Geometrie Durchmesser D 20

    Hhe 20

    Stoffdaten Luft im Zustand 1

    Dichte 1.1685

    Wrmekapazitt

    Zustandsgren

    Anfangstemperatur 293

    Anfangsdruck 1

    Zndenergie Zugefhrte

    Wrmemenge

    Gesucht:

    Im Falle einer isochoren Zustandsnderung gilt fr die zugefhrte Wrmemenge nach [15]:

    (A.1)

  • Berechnungen

    Seite | III

    Die Masse der Luft wird im Anfangszustand errechnet. Sie ergibt sich nach [15] zu:

    (A.2)

    Durch Einsetzen von (A.2)in (A.1) ergibt sich fr die Temperatur folgende Bestimmungsgleichung:

    (A.3)

    Fr die isochore Zustandsnderung ergibt sich somit der Druck nach [15] zu:

    (A.4)

  • Berechnungen

    Seite | IV

    A.2. Luftbedarf bei stchiometrischer Verbrennung von Methan

    Die chemische Reaktionsgleichung fr eine Verbrennung ergibt sich im Allgemeinen zu: [12]

    (

    )

    (A.5)

    Fr Methan mit der chemischen Formel ergibt sich:

    (

    )

    (A.5)

    Fr die stchiometrische Verbrennung ergibt sich somit ein Sauerstoffbedarf von:

    Der Luftbedarf ermittelt sich zu:

    Wird dieser Luftbedarf mit den jeweiligen Dichten unter Normbedingungen verrechnet, kann das

    Massenverhltnis bestimmt werden. Die Stoffwerte stammen aus [27].

  • Berechnungen

    Seite | V

    A.3. Abschtzung des Verbrennungsdruckes bei stchiometrischer

    isochorer Methan Verbrennung

    Annahmen: - Luft wird erwrmt - Ideales Gas - Isochore Wrmezufuhr durch

    Verbrennung - Wrmebergang an Prfkammer wird

    zur Abschtzung der maximalen Druckerhhung vernachlssigt.

    - Spezifische Wrmekapazitt wird als konstant angenommen

    Die Zustandsgren der Luft werden dem VDI Wrmeatlas entnommen. [27]

    Tabelle A.2: Zustandsgren fr die Abschtzung des Verbrennungsdruckes

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Stoffdaten Luft Wrmekapazitt

    Stoffdaten Methan Unterer Heizwert 50.013

    Zustandsgren

    Anfangstemperatur 473

    Anfangsdruck 20

    Verbrennung Luftmassenverhltnis

    stchiometrisch

    Gesucht:

    Analyse:

    Das Volumen der Prfkammer ist zu Beginn mit Methan und Luft gefllt. Somit setzt sich das

    Gesamtvolumen wie folgt zusammen:

    (A.5)

  • Berechnungen

    Seite | VI

    Mit dem Luftmassenverhltnis nach A.2.

    (A.6)

    lsst sich Gleichung (A.5) wie folgt umformen:

    (

    )

    (

    )

    (A.7)

    (

    )

    (A.8)

    Vereinfacht wird angenommen, dass die chemische Energie im Brennstoff der Luft in der

    Prfkammer in Form von Wrme zugefhrt wird. Diese Erwrmung erfolgt isochor. Die Berechnung

    erfolgt nach [15].

    Fr das ideale Gas gilt:

    (A.1)

    Die zugefhrte Wrme ist die chemische Energie des Brennstoffes:

    (A.9)

    Aus (A.9) = (A.1) folgt mit (A.7) und (A.8):

    (

    )

    (

    )

    Dies wird zur Bestimmungsgleichung fr (A.10) umgeformt:

    (A.10)

    Durch die Temperaturerhhung erfolgt eine Erhhung des Druckes nach dem Gesetz:

    (

    ) (A.4)

  • Berechnungen

    Seite | VII

    Gleichung (A.10) in (A.4) eingesetzt liefert die gesuchte Bestimmungsgleichung fr den maximalen

    Druck.

    (

    ) (A.11)

    Fr die gegebenen Werte betrgt der Druck :

    (

    )

  • Berechnungen

    Seite | VIII

    A.4. Vorauslegung der Schraubenverbindung

    Die Schraubenverbindung, welche Kopf- und Fuplatte sowie das Zylinderrohr verbindet, wird nach Roloff/Matek [16] vorausgelegt. Annahmen:

    - Alle Schrauben tragen zu gleichen Anteilen

    Fr eine Abdichtung mit Wills Rings O ist fr eine Verformung des Dichtrings eine Mindestdichtkraft

    von notwendig.[24] In Tabelle A.3 sind die zur Berechnung verwendeten Gren

    aufgezeigt.

    Tabelle A.3: Fr die Schraubenvorauslegung verwendete Gren

    Bezeichnung Variable Wert Einheit

    Mindestdichtkraft 50.2

    Dicht-Sicherheitsfaktor 2

    Maximaler Druck 25

    Zylinderinnendurchmesser 85

    Schraubenmenge 8

    Somit ergibt sich fr die Verschraubung eine Mindestgesamtklemmkraft von:

    (A.12)

  • Berechnungen

    Seite | IX

    Mit einem maximalen Druck von ergibt sich die maximale Gesamtarbeitskraft zu:

    (A.13)

    Die Anzahl der Schauben wird zu festgelegt. Die Mindestklemmkraft und die Arbeitskraft

    ergeben sich damit wie folgt.

    (A.11)

    (A.15)

    Nach [16] wird fr die Verschraubung der Spannungsquerschnitt der Schrauben wie folgt ermittelt.

    (A.16)

    Als Nennma fr die Verschraubung wird M16 mit einem Spanungsquerschnitt von

    gewhlt.

  • Berechnungen

    Seite | X

    A.5. Berechnung der Flchenpressung fr die Kupferflachdichtung

    Abbildung A.1: Flchenpressung im Lastschritt Vorspannung

    Abbildung A.2: Flchenpressung im Lastschritt Druck

  • B Datenbltter

    Seite | XI

    B Datenbltter

  • B Datenbltter

    Seite | XII

  • B Datenbltter

    Seite | XIII

  • B Datenbltter

    Seite | XIV

    Quelle: Kempchen Dichtungstechnik GmbH www.kempchen.de

  • B Datenbltter

    Seite | XV

  • B Datenbltter

    Seite | XVI

  • B Datenbltter

    Seite | XVII

  • B Datenbltter

    Seite | XVIII

  • C Investitionsantrag

    Seite | XIX

    C Investitionsantrag

    Entwicklung eines Zndungsprfstandes

    KE_Zuendungspruefstand_ss13 Bearbeiter: Philipp Montsko, Tobias Vogt Fachbetreuer: Prof. Dr. -Ing. Maurice Kettner

    Aufgabenstellung:

    Entwicklung eines Zndungsprfstands zur Untersuchung der Einflsse unterschiedlicher

    Zndsysteme und Zndparameter auf die Entflammung von Gemischen.

    Motivation:

    Bei der Weiterentwicklung von modernen Verbrennungsmotoren wird das Zndsystem immer mehr

    zu einem Schlsselelement, von dem das erreichbare Potential hinsichtlich W