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
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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
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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
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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
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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
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Einleitung
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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.
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Literaturrecherche
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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
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Literaturrecherche
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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
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Literaturrecherche
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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]
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Literaturrecherche
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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
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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
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Literaturrecherche
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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]
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Literaturrecherche
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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
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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
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Literaturrecherche
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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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Literaturrecherche
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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
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Literaturrecherche
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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
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Literaturrecherche
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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
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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.
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Grundkonzept
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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
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Grundkonzept
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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.
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Grundkonzept
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Abbildung 3.4: Interne Gemischbildung
Abbildung 3.5: Externe Gemischbildung mit Komponenten-Verdichtung
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Grundkonzept
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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.
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Konstruktion der Prfkammer
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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
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Konstruktion der Prfkammer
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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
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Konstruktion der Prfkammer
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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.
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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.
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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.
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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.
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Konstruktion der Prfkammer
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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]
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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.
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Konstruktion der Prfkammer
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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]
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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
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Konstruktion der Prfkammer
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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.
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Verwendete Sensoren
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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.
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Finite Elemente Berechnung
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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]
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Finite Elemente Berechnung
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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
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Finite Elemente Berechnung
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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.
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Finite Elemente Berechnung
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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.
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Finite Elemente Berechnung
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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.
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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
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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.
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Finite Elemente Berechnung
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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
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Finite Elemente Berechnung
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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.
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Finite Elemente Berechnung
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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
.
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Finite Elemente Berechnung
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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
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Finite Elemente Berechnung
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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
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Finite Elemente Berechnung
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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.
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Anhang
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Anhang
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Berechnungen
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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)
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Berechnungen
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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)
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Berechnungen
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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].
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Berechnungen
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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)
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Berechnungen
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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)
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Berechnungen
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Gleichung (A.10) in (A.4) eingesetzt liefert die gesuchte Bestimmungsgleichung fr den maximalen
Druck.
(
) (A.11)
Fr die gegebenen Werte betrgt der Druck :
(
)
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Berechnungen
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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)
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Berechnungen
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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.
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Berechnungen
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A.5. Berechnung der Flchenpressung fr die Kupferflachdichtung
Abbildung A.1: Flchenpressung im Lastschritt Vorspannung
Abbildung A.2: Flchenpressung im Lastschritt Druck
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Quelle: Kempchen Dichtungstechnik GmbH www.kempchen.de
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C Investitionsantrag
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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