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FORSCHUNG Mess - und Prüftechnik
AUTOREN
Öleintrag über den Kolbenfeuersteg
Untersuchungen zum Ölhaushalt am Kolben sind wichtig, um zukünftige
Motorenkonzepte hinsichtlich Brennverfahren und Emissionen zu optimieren.
Dr.-Ing. Thomas Ebert Im Rahmen des FVV-Vorhabens Fuel In Oil II (FVV-Nr. 1225) wurde am
ist Projektleiter Motor
entwicklung bei der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen
Keyou GmbH in München.
University ein Messverfahren für Untersuchungen der Schmierfilmdicken
am Kolbenfeuersteg entwickelt und eingesetzt. Gleichzeitig erarbeitete
das Institut für Analytische Messtechnik Hamburg e. V. (IAM-Hamburg) eine
Abgasanalysemethode zur Untersuchung der Ölemissionsmechanismen.
Ann-Christin Preuß,
M. Sc.
ist Wissenschaftliche
Mitarbeiterin des Instituts
für Analytische Mess
technik Hamburg e. V.
(IAM-Hamburg).
Prof. Dr.-Ing.
Stefan Pischinger
ist Leiter des Lehrstuhls
für Verbrennungskraft
maschinen (VKA) an der
RWTH Aachen University.
Prof. Dr.-Ing.
Gerhard Matz
ist Vorsitzender des
Instituts für Analytische
Messtechnik Hamburg
e. V. (IAM-Hamburg).
© VKA
66 www.springerprofessional.de/automobiltechnik
1 MOTIVATION UND ZIELSE T ZUNG Kolbenrings in Stellung des Kolbens im Oberen Totpunkt (OT) sowie
2 VERSUCHSTR ÄGER in einem Punkt maximalen Kraftstoffwandauftrags (Messposition 3).
3 ME THODIK DER ÖLFILMDICKENMESSUNG Aufbau und Fertigungsprozess der Messsonden sind in [5] beschrie-
4 MESSERGEBNISSE ben. Kernelement der Messmethodik ist das optische Fenster, das
5 ABG ASANALYSE UND ERGEBNISSE den Brennraum abdichtet und mit Luft und Öl als weitere transpa-
6 SIMUL ATIONSME THODIK UND ERGEBNISSE rente Medien ein komplexes Mehrschichtsystem bildet. Über ein
7 ZUSAMMENFASSUNG kontinuierliches Brechungsverhalten zwischen Öl und Fensterwerk-
stoff kann erreicht werden, dass nur die Ölschicht am Kolbenfeuer-
steg erfasst wird. Quarzglas als Fensterwerkstoff, das ein sehr ähn-
liches Lichtbrechungsverhalten zu Motoröl aufweist, erfüllt diese
1 MOTIVATION UND ZIELSETZUNG
Anforderung. Über eine präzise Fokussierung der zu vermessenden
Downsizing-Konzepte mit Benzindirekteinspritzung erfordern neue Schicht am Feuersteg kann die Schichtentrennung weiter begünstigt
Maßstäbe bei der Brennverfahrensentwicklung [1]. In früheren werden. Zudem wird über eine Fensterdicke von nur 2,8 mm eine
Forschungsarbeiten konnten sowohl für Vorentflammungen [2] als minimale Signalschwächung erreicht. Aufgrund einer maximalen
auch Partikelemissionen [3] eindeutige Zusammenhänge zu einem Messrate des Messgeräts von nur 4000 Hz mussten die Unter
Schmieröleintrag in den Brennraum nachgewiesen werden. suchungen auf niedrige Motordrehzahlen beschränkt werden.
Stellvertretend für das System Zylinder-Kolben-Kolbenring, dem
der höchste Beitrag zum Öleintrag zugemessen werden kann [4],
4 MESSERGEBNISSE
wurde im Forschungsprojekt der Mechanismus des Abschleuderns
von Öltröpfchen vom Kolbenfeuersteg infolge von Trägheitskräften Die Ergebnisdarstellung, BILD 1, BILD 2 und BILD 3, erfolgt in Form
fokussiert. Hierzu sollten messtechnische Untersuchungen zum einer Abbildung des Feuerstegspalts mit der Feuersteghöhe auf der
Ölhaushalt am Kolbenfeuersteg als Quelle eines möglichen Ölein- y-Achse und den zugehörigen Filmdicken auf der x-Achse (hellgrau:
trags und darauf basierende numerische Untersuchungen zum Öl Feuersteg; dunkelgrau: erster Kolbenring). Aufeinanderfolgende
eintragsverhalten durchgeführt werden. Zudem sollten über mess- Messpunkte werden dabei superponiert. Für Messposition 1, BILD 1,
technische Analysen von Aerosol- und Ölemissionen Rückschlüsse geht sämtlichen Messzeitfenstern im Arbeitsspiel eine negative
auf die zugrunde liegenden Mechanismen gezogen werden. Kolbenbeschleunigung mit Trägheitskräften Richtung OT voraus,
wodurch eine Verlagerung der Ölansammlung am Feuersteg hin
zum Kolbenboden erfolgt. Abhängig von der Phase im Arbeitsspiel
2 VERSUCHSTRÄGER
ändert sich für Messposition 3, BILD 2, die Richtung der Kolben-
Die Messungen wurden an zwei unterschiedlichen Motoren durch- beschleunigung, die den einzelnen Messzeitfenstern vorausgeht.
geführt. Beim Versuchsträger für die Schmierfilmdickenmessun- Das Öl am Feuersteg verschiebt sich folglich je nach Phase im
gen handelte es sich um einen Einzylinder-Ottomotor (75 mm Zyklus Richtung Kolbenboden oder Kolbenring. Zur Untersuchung
Bohrung, 90,5 mm Hub) mit Benzindirekteinspritzung. Für die des Viskositätseinflusses wurde der Motor auf 30, 60 und 90 °C
Untersuchungen mit dem Abgasanalyseverfahren kam ein Ein konditioniert. Die Schichtdickenmessungen erfolgten wieder an
zylinder-Ottomotor mit Saugrohreinspritzung (90 mm Bohrung, Messposition 1. In BILD 3 sind die Ergebnisse für alle drei Tempe-
96,3 mm Hub) der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der raturen während der Expansion dargestellt. Ein Temperatur- und
Bundeswehr Hamburg zum Einsatz. damit Viskositätseinfluss ist sehr deutlich erkennbar. Gerade bei
30 °C scheint das Öl stark im Bereich des Kolbenrings zu haften.
Das dynamische Verhalten wird dann zu höheren Temperaturen
3 METHODIK DER ÖLFILMDICKENMESSUNG
hin stärker ausgeprägt.
Die Ölfilmdickenmessungen am Kolbenfeuersteg wurden mithilfe Die Messungen erwecken an einigen Stellen den Eindruck, als
eines interferometrischen Schichtdickenmessgeräts [5] durchge- wäre das Öl stark im unteren Feuerstegbereich konzentriert. Dabei
führt. Zur Durchführung der Messungen wurden optische Zugänge gilt unbedingt zu beachten, dass fehlende Messpunkte im oberen
an drei Messpositionen an der Zylinderlaufbuchse definiert: ober- Bereich keinesfalls zwangsläufig bedeuten müssen, dass dort tat-
halb (Messposition 1) und unterhalb (Messposition 2) des ersten sächlich kein Öl vorhanden ist. Gerade infolge der hohen Ölfilm-
BILD 1 Schichtdicken-
messung am Feuersteg
an Messposition 1
(800/min, 5 bar pmi)
(© VKA)
MTZ 07-08|2021 82. Jahrgang 67
FORSCHUNG Mess - und Prüftechnik
BILD 2 Schicht
dickenmessung
am Feuersteg an
Messposition 3
(800/min, 5 bar pmi)
(© VKA)
BILD 3 Schicht
dickenmessung
am Kolbenfeuersteg
bei unterschiedlichen
Motortemperaturen
(Messung an Posi-
tion 1, Expansions-
phase, 800/min,
5 bar pmi) (© VKA)
dynamik am Feuersteg ist hier durchaus denkbar, dass die Öl vom zugrunde liegenden Ölemissionsmechanismus. Während eine
schicht so ausgeprägt ist, dass sie nicht oder nur mit sehr g eringer Verdunstung vom Liner primär zu einem Austrag kurzkettiger Koh-
Signalqualität messbar ist. lenwasserstoffe führt, ist der Anteil langkettiger Kohlenwasser-
stoffe bei der Emission von Öltröpfchen signifikant erhöht. BILD 4
(links) zeigt ein Verdunstungsspektrum, das direkt nach dem Anhal-
5 ABGASANALYSE UND ERGEBNISSE
ten des Motors aufgezeichnet wurde. Das Spektrum in BILD 4
Um Verdunstung vom Liner und Abschleudern, Abschaben oder (rechts) resultiert aus einer vollständigen Verdampfung von Öltröpf-
Reverse Blow-by als Ölemissionsquellen zu unterscheiden, wurden chen mithilfe der Kalibriereinheit [5]. Die massenspektrometrische
simultane Messungen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Analyse der Kohlenwasserstoffkettenlängen wird gestützt durch
der Aerosolpartikel im Abgas durchgeführt. Hierbei kamen ein eine Korrelation mit der Aerosolpartikelemission.
Quadrupol-Flugzeitmassenspektrometersystem (Q-TOF-Massen- Um unterscheidbare Ölemissionsmechanismen zu provozieren,
spektrometer) sowie ein Weißlicht-Aerosolspektrometersystem wurde die Einspritzung unterbrochen. Wird die Einspritzung aus-
zum Einsatz [5]. Das massenspektrometrische Analyseverfahren geschaltet, steigt die Ölemission signifikant an, BILD 5 (1). Der
stützt sich auf die Abhängigkeit des Spektrums der Ölemission geringe Anteil langkettiger Kohlenwasserstoffe sowie die nicht
BILD 4 Infolge von Verdunstung (links)
und Öltröpfchenemission (rechts)
zu erwartende Massenspektren
(© IAM-Hamburg)
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ansteigende Aerosolpartikelkonzentration führen zu der Schluss-
folgerung, dass zu diesem Zeitpunkt Wandfilmverdunstung die
primäre Ölemissionsquelle ist. 15 s nach Beginn der Einspritzunter HOCHEFFIZIENTE
ÖLNEBELABSCHEIDER
brechung, BILD 5 (2) ist der Anteil langkettiger Kohlenwasserstoffe
deutlich erhöht (ersichtlich im Vergleich der Quotienten der sum-
PLATTFORM
marischen Hochpassfilter), und die Aerosolpartikelkonzentration
nimmt zu. Dies lässt darauf schließen, dass die abnehmende
Wandfilmverdunstung infolge der sinkenden Ölfilmtemperaturen
zunehmend von einer Öltröpfchenemission überlagert wird. Es ist
davon auszugehen, dass dies auf eine zunehmende Ölfilmschicht- FÜR VERBRENNUNGSMOTOREN
dicke am Feuersteg in Kombination mit den Trägheitskräften zurück- BIS 4000 KW
zuführen ist. Wird die Einspritzung wieder aktiviert, BILD 5 (3),
kommt es zu einer erhöhten Öl- und Aerosolpartikelemission. Das
Spektrum weist einen deutlich erhöhten Anteil langkettiger Kohlen-
wasserstoffe auf. Dies spricht für eine erhöhte Öltröpfchenemission.
Die Betrachtung der Aerosolospektren zeigt, dass während der
Einspritzunterbrechung, BILD 5 (2), Öltröpfchen mit einer Größe
von bis zu 2 μm emittiert werden, wohingegen bei Wiedereinsetzen
der Verbrennung, BILD 5 (3), die Aerosolpartikeldurchmesser deut-
lich unter 1 μm liegen.
6 SIMULATIONSMETHODIK UND ERGEBNISSE
Die Untersuchungen zum Abschleudern von Öltröpfchen vom Kol-
benfeuersteg infolge von Trägheitskräften, die ein komplexes Mehr-
phasenproblem darstellen, wurden mithilfe eines sogenannten
Volume-of-Fluid-Ansatzes (VOF) durchgeführt. Aufgrund der maxi-
mal zweidimensionalen Auflösung der Schichtdickenmessungen
wurde das tatsächlich dreidimensionale Mehrphasenproblem auf
eine zweidimensionale Problemstellung reduziert. Die Simulations-
domäne umfasst das Feuerstegvolumen und einen kleinen Gas
bereich über dem Kolben. Der Einfluss des Brennraumdrucks wird
gegenüber den Effekten der Trägheitskräfte vernachlässigt. Dem Vorteile
gesamten Zellpaket, das als starres dynamisches Gitter spezifiziert
ist, wird ein translatorisches Verhalten entsprechend der Kolben • skalierbare Plattform
bewegung aufgeprägt. Die Phaseninitialisierung erfolgt basierend
auf den Ergebnissen der Schichtdickenmessungen.
• flexible Montage auf dem Motor
Die Simulationsergebnisse, BILD 6, verdeutlichen den Mechanis- • robust und servicefreundlich
mus zum Ablösen eines Öltröpfchens vom Kolbenfeuersteg. Das
Öl fließt im Bereich des OT um die Kolbenoberkante und sammelt • konfigurierbare Schnittstellen
sich am Rand des Kolbenbodens an. Das Zusammenspiel der sta-
bilisierenden und destabilisierenden Kräfte ist hier deutlich zu
• integrierter Ölablauf
erkennen. Ein im OT vermeintlich beginnender Ablösevorgang wird • kompakte Einheit RESIDUAL OIL CONTENT
AFTER FILTRATION
zunächst stabilisiert und setzt erst etwa 20 °KW später ein, nach-
dem eine größere Ölmenge mit ihrer destabilisierenden Wirkung • geringer Druckabfall
FORSCHUNG Mess - und Prüftechnik
BILD 5 Öl- und Aerosolpartikel
emission mit 30 s Einspritz
unterbrechung bei 3000/min,
15 Nm, 90 °C Öl- und Kühl
wassertemperatur; Ausschalten
der Einspritzung (1), Einspritz-
unterbrechung (2), Wiederein-
schaltung (3) (© IAM-Hamburg)
BILD 6 Ablösen eines Öltröpfchens bei 6000/min und 260 °C Öltemperatur (© VKA)
gung eingesetzt werden. Mit diesen Messergebnissen initialisierte
Mehrphasensimulationen zur Untersuchung der Öltransportphäno-
mene am Feuersteg veranschaulichen den Mechanismus zum Ab
schleudern von Öltröpfchen vom Kolben infolge von Trägheitskräften.
DANKE
Das Forschungsvorhaben (FVV-Nr. 1225) wurde am Lehrstuhl für Verbrennungs-
Simultane Messungen der Öl- und Aerosolpartikelemissionen zeigen
kraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen University unter der Leitung von
eine starke Korrelation.
Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger und am Institut für Analytische Messtechnik
Hamburg e. V. (IAM-Hamburg) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Gerhard Matz
LITERATURHINWEISE
durchgeführt. Es wurde durch Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
[1] Willand, J. et al.: Grenzen des Downsizing bei Ottomotoren durch
(BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
Vorentflammungen. In: MTZ 70 (2009), Nr. 5, S. 422-428
[2] Dahnz, C.; Han, K.-M.; Magar, M.: Vorentflammung bei Ottomotoren: (AiF) e. V. (IGF-Fördernr. IGF-Nr. 19089 N) aufgrund eines Beschlusses des
U ntersuchung des Auftretens und der Ursache von Selbstzündungen vor Deutschen Bundestags finanziell gefördert und von einem Arbeitskreis unter der
Zündungseinleitung bei aufgeladenen Motoren mit hohem Verdichtungs Leitung von Obmann Dr.-Ing. Marcus Gohl (APL Automobil-Prüftechnik Landau
verhältnis. Abschlussbericht FVV-Projekt Nr. 931, 2010
GmbH) begleitet. Die Autoren bedanken sich bei den Fördergebern, der For-
[3] Dageförde, H.: Partikel bei Otto-DI: Untersuchung von Maßnahmen
schungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V. und allen Projekt-
zur Reduktion der Partikel-Anzahlemissionen bei Otto-DI-Motoren. Abschluss
bericht FVV-Projekt Nr. 1046, 2013 beteiligten für die Unterstützung des Vorhabens.
[4] Völtz, M.: Einfluß des Motorenöls auf den Ölverbrauch: Quellen und Mecha
nismen des Ölverbrauchs im Motor. In: Krafthand 70 (1997), Nr. 12, o. S.
[5] Gohl, M. et al.: Investigation of Oil Sources in the Combustion Chamber of READ THE ENGLISH E-MAGAZINE
Direct Injection Gasoline Engines. SAE Technical Paper Nr. 2018-01-1811, 2018 Test now for 30 days free of charge: www.mtz-worldwide.com
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