Investigation of cluster-nozzle concepts for direct injection diesel engines [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Hyun Woo Won

Hyun Woo Won

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Investigation of Cluster-Nozzle Concepts
for Direct Injection Diesel Engines
Von der Fakultät für Maschinenwesen der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Hyun Woo Won
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. N. Peters
Univ.-Prof. Dr.-Ing. (USA) S. Pischinger
Tag der mündlichen Prüfung: 23. Februar 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfügbar.

ii WICHTIG: D 82 überprüfen !!!
Berichte aus der Energietechnik
Hyun Woo Won
Investigation of Cluster-Nozzle Concepts for
Direct Injection Diesel Engines
Shaker Verlag
Aachen 2010Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek
The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche
Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at
http://dnb.d-nb.de.
Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2010)
Copyright Shaker Verlag 2010
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a
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Printed in Germany.
ISBN 978-3-8322-9035-1
ISSN 0945-0726
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Phone: [phone] Telefax: 0049/2407/9596-9
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Vorwort / Preface
Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für
Technische Verbrennung (ehemals Institut für Technische Mechanik) der RWTH Aachen
University. Sie wurde im Rahmen des Projekts „Untersuchung von Cluster-Düsen-Konzepten für
Dieselmotoren“ innerhalb des „Collaborative Research Laboratory“ in Zusammenarbeit mit
General Motors R&D and Strategic Planning, Warren, MI, USA durchgeführt. Ein Teil der Arbeit
ist außerdem innerhalb des Sonderforschungsbereichs 686 Modellbasierte Regelung der
homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung entstanden, der an der RWTH Aachen
University und der Universität Bielefeld bearbeitet wird. General Motors and der Deutschen
Forschungsgemeinschaft danke ich in diesem Zusammenhang für die finanzielle Förderung.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Norbert Peters für seine
Unterstützung, seine kritischen Anmerkungen und die mir gewährte Freiheit. Herrn Professor Dr.
-Ing. (USA) Stefan Pischinger danke ich für sein stetiges Interesse an meiner Arbeit und für die
Tätigkeit als weiterer Berichter. Herrn Professor Dr.-Ing. Reinhold Kneer danke ich für die
Übernahme des Vorsitzes der Prüfungskommission.
Ausdrücklich möchte ich mich bei Abhinav Sharma, Seun-Eun Moon und Min-Soo Youn
bedanken, die mich durch ihre Arbeit als wissenschaftliche Hilfskräfte tatkräftig unterstützt haben.
Außerdem gilt mein Dank allen jetzigen und ehemaligen Mitarbeitern des Institut für Technische
Verbrennung, die ebenfalls zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Ich bedanke mich bei
Abdelilah Louki, Peter Spiekermann, Christoph Kortschik, Rainer Dahms, Anyelo Vanegas, Olaf
Röhl, Peng Zeng, Joachim Beeckmann, Lipo Wang, Dieter Osthoff, Bernd Binninger, Günter
Paczko, Jens Henrik Göbbert, Maung Maung Aye, Bernhard Jochim, Klaus-Dieter Stoehr,
Tomoya Wada, Dirk Grüterich, Henry Krüger, Juan Pablo Higuera Gomez, Frank Backes und
Leo Kuck.
Ich möchte mich ganz besonders bei Christian Hasse, Stefan Vogel, Jost Weber, Vivak
Luckhchoura, Peter Hottenbach, Adam Pawlowski und Maria Cardenas, die am GM-Projekt
beteiligt waren, bedanken.
I would like to thank John Pinson for making my research stays at General Motors R&D in
Warren, MI, USA, possible. Furthermore, I would like to thank Norbert Siewert, Andreas Lippert,
Rossell Durrett, Alejandro H. Plazas T., Satbir Singh for our good collaboration.
Ein großer Dank gilt meinen Eltern und Schwiegereltern, die mich in jeder Phase meiner
Ausbildung unterstützt und motiviert haben.
Meiner Frau Mina Lee und meiner Tochter Yeun danke ich ebenfalls sehr für ihre
außerordentliche Unterstützung, auf die ich mich immer verlassen konnte.


Aachen, im März 2010

Hyun-Woo Won
iii
Meiner Mutter
iv
Investigation of Cluster-Nozzle
Concepts for Direct Injection Diesel
Engines
Zusammenfassung
In den letzten Jahrzehnten ist die Reduzierung von kritischen Schadstoffemissionen wie
NOx und Ruß bei Dieselmotoren sehr weit fortgeschritten. Jedoch verlangen verschärfte
Emissionsgesetzgebungen weitere zusätzliche Anstrengungen. Trotz dauernder
Verbesserungen bei der Abgasnachbehandlung müssen die Schadstoffemissionen weiter
gesenkt und zugleich der Verbrennungsprozess weiter optimiert werden, um die Kosten
der Abgasnachbehandlung so gering wie möglich zu halten. Ein viel versprechender
Schlüsselparameter, der den Verbrennungprozess bei der kontrollierten
Diffusionsverbrennung beeinflusst, ist das Luft-Brennstoff-Gemisch, das hauptsächlich
von den Kraftstoffeinspritzparametern geregelt wird. Das Einspritzkonzept mit
Clusterdüsen ist eine der fortgeschrittensten Technologien, welche die Gemischbildung
bei der Kraftstoffeinspritzung verbessert.
Beruhend auf vorherigen Untersuchungen mit Cluster-Düsen wurden für diese Studie
modifizierte Cluster-Düsen entworfen. Das hier verwendete Cluster-Düsen-Konzept
besteht aus paarweise kleinen gleich grossen Öffnungen. Ziel ist es, verbesserte
Emissionswerte, erstens, bei der Niedertemperaturverbrennung unter Teillastbedingungen
auf niedrigerem Emissionsniveau und zweitens bei der Hochdruckeinspritzung unter
hohen Lastbedingungen und verringertem Kraftstoffverbrauch, zu erreichen. Hierbei
wurden bei den Düsen die Anzahl von Loch-Paaren und die geometrische
Konfigurationen modifiziert. Die Parameter während des Motorexperiments waren der
Drall, der Einspritzdruck und die Kolbengeometrie. Die Studie trägt dazu bei, die
Eigenschaften der innermotorischen Verbrennung besser zu verstehen und somit die
Leistung und die Emissionswerte zu verbessern. Die Ergebnisse der Cluster-Düsen
wurden mit den Ergebnissen der herkömmlichen Düsen verglichen, die als Referenzdüsen
bezeichnet wurden.
Die Cluster-Düsen, die kleine Öffnungen haben, wurden bei der
Niedertempertaturverbrennung unter Teillastbedingungen verwendet. Bei dieser
Bedingung zeigte sich eine Verbesserung der Emissionswerte und des
Kraftstoffverbrauchs. Auch bei Mittel- und Hochlast war es möglich, bei einer richtigen
Kombination aus Düsentyp, Innenzylindergeometrie und hohem Spritzendruck ein
niedrigeres Partikel-Emissionsniveau und einen gesenkten Kraftstoffverbrauch zu
erreichen. Auch unter hoher Geschwindigkeit und Vollast (was eine schnelle
v

Verbrennungsgeschwindigkeit verlangt) war mit einer optimierten Düsenbauform sowie
einer optimierten Innenzylindergeometrie eine Verbesserung hinsichtlich
Kraftstoffverbrauchs und Schadstoffemissionen zu erkennen. Unter
Niedriglastbedingungen wurden die Emissionen, die bereits bei den Referenzdüsen
niedrig waren, weiter reduziert und gleichzeitig wurde eine beträchtliche Verminderung
von Rauchgasemissionen im Vergleich zu der Referenzdüse, die auch schon mit einer
veränderten Kolbenmulde lief, festgestellt.
Als Fazit dieser Arbeit kann festgehalten werden, dass das Cluster-Düsen-Konzept
kombiniert mit einer angepassten Muldengeometrie und einem optimalen Drall
Emissionen reduzieren kann und den Kraftstoffverbrauch über den ganzen
Betriebsbereich eines Dieselmotors verbessert. Man kann auch sagen, dass, obwohl es
einige Schwierigkeiten in der Anwendung (besonders bei Vollast und bei einer hohen
Drehzahl) gab, das Cluster-Düsen-Konzept als eine zuverlässige Lösung für das
gegenwärtige Problem angesehen werden kann, um die Verbrennung effektiver zu
machen und eine Emissionsverminderung zu erreichen.
vi
Publications
This thesis is mainly based on the following publications; some material is updated,
together with some new introduced results:
H. W. Won and N. Peters, “Investigation of Cluster-Nozzle Concepts for Diesel
Engines”, Journal of Atomization and Sprays, 19(10):983-996, 2009.
H. W. Won, A. Sharma, P. Hottenbach, M. Gauding, F. X. Robert, N. Peters, G.
Grünefeld, R. Durrett, A. H. Plazas T. and S. Singh, “Investigation of Particulate
th
Emissions for Cluster-Nozzle Concepts in DI Diesel Engines”, 11 Triennial
International Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems,
ICLASS 2009-148, 2009.
H. W. Won and N. Peters, Optimizing the Injection Pressure for Cluster Nozzle
Concepts in DI Diesel Engine, International Journal of Engine Research, Vol. 11
JER05409, 2009.
H. W. Won and N. Peters,