GANZHEITLICHES KONZEPT ZUR OPTIMIERUNG DER ÖLEMISSION Motor-Downsizing in Verbindung mit den zukünftig verschärften Abgasgrenzwerten für Pkw, Nutzfahrzeuge und Off-Highway-Anwendungen ist eine große Anforderung für die Systeme und Komponenten des Verbrennungs- motors. Eine erhöhte Ölemission führt in diesem Zusammenhang zu gesteigertem Partikel- und HC-Ausstoß. Zusätzlich können die Effektivität der Abgasnachbehandlung und die Vorentflammungsneigung durch den Ölverbrauch negativ beeinflusst werden. Die APL Group hat ein ganzheitliches Konzept zur gezielten Analyse der Ölemissionsmechanismen und Reduzierung der Ölemission unter Einsatz modernster Online-Messtechniken, metallographischer und chemischer Analytik sowie Simulationswerkzeugen entwickelt. 44 ENTWICKLUNG SIMULATION UND MESSTECHNIK
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GANZHEITLICHES KONZEPT ZUR OPTIMIERUNG DER ÖLEMISSIONMotor-Downsizing in Verbindung mit den zukünftig verschärften Abgasgrenzwerten für Pkw, Nutzfahrzeuge
und Off-Highway-Anwendungen ist eine große Anforderung für die Systeme und Komponenten des Verbrennungs-
motors. Eine erhöhte Ölemission führt in diesem Zusammenhang zu gesteigertem Partikel- und HC-Ausstoß.
Zusätzlich können die Effektivität der Abgasnachbehandlung und die Vorentflammungsneigung durch den
Ölverbrauch negativ beeinflusst werden. Die APL Group hat ein ganzheit liches Konzept zur gezielten Analyse
der Ölemissionsmechanismen und Reduzierung der Ölemission unter Einsatz modernster Online-Messtechniken,
metallographischer und chemischer Analytik sowie Simulationswerkzeugen entwickelt.
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ENTWICKLUNG SIMULATION UND MESSTECHNIK
Simulation und Messtechnik
REDUZIERTE ÖL- UND DAMIT ABGASEMISSIONEN
Bei modernen Verbrennungsmotoren bestimmt, neben der eigentlichen Ver-brennung, das tribologische System der Kolbengruppe maßgeblich die Partikel- und HC-Emission [1, 2]. Dabei ist die wechselseitige Beeinflussung von Ver-brennung, Öltransport und Verdamp-fungsmechanismen evident. Weitere Quellen von Ölemission können die Kur-belgehäuseentlüftung, der Turbolader oder die Ventilschaftabdichtungen sein, mit einem Eintrag entweder direkt über das Abgas oder indirekt über den Blow-by-Gasstrom in Form nicht abgeschiede-ner Ölanteile. Die Auslegung dieser unter-schiedlichen mechanischen Komponen-ten und die Formulierung des Schmieröls haben einen entscheidenden Einfluss auf die Abgasrohemissionen und erschweren zusätzlich die Abgasnachbehandlung. Gemischbildungsbedingte Wechselwir-kungen zwischen Schmieröl- und Kraft-stoffanteilen werden auch vor dem Hin-tergrund von Vorentflammungseffekten, welche maßgeblich auf die Emission von Ölanteilen zurückgeführt werden kön-nen, zunehmend stärker betrachtet [3].
Das in der APL Group aufgebaute, tief-greifende Verständnis der tribologischen Prozesse und der unterschiedlichen Öl -emissionsmechanismen bildet die Voraus-
setzung für Maßnahmen zur Reduzierung von ölbedingten Schadstoffemissionen. Nur mit der Kenntnis über den Einfluss stationärer und transienter Betriebszu-stände sowie der Kaltstart- und Warm-laufphase auf das Emissionsverhalten lassen sich die richtigen konstruktiven und verfahrensseitigen Maßnahmen ab -leiten und zielgerichtet umsetzen. Zur entsprechenden Analyse der Ölemission werden moderne Online-Messtechniken und Analysewerkzeuge wie Massenspek-trometer, Aerosolspektrometer, Parti-kelzähler, Micro-Soot-Sensoren und Flammenionisationsdetektoren in Kom-bination mit kommerziellen und selbst-entwickelten MKS-, EHD, und CFD-Simulationstools eingesetzt und weiter-entwickelt. Das Entwicklungskonzept der APL Group ermöglicht die nachhal-tige Motorentwicklung unter Berücksich-tigung von Optimierungspotenzialen bei Bauteilen, Schmierölzusammensetzung und Motorapplikation mit Fokus auf re -duzierte Öl- und damit Abgasemissionen.
ANALYSE STATIONÄRER UND DYNAMISCHER ÖLEMISSION
Im ersten Schritt zur Charakterisierung eines Verbrennungsmotors werden stati-onäre Betriebspunkte betrachtet. ❶ zeigt zwei Kennfelder von Motoren mit unter-schiedlichem Ölemissionsverhalten. Das
AUTOREN
PROF. DR.-ING. JENS HADLERist Geschäftsführer der APL GmbH in Landau.
DIPL.-ING. CHRISTIAN LENSCH-FRANZEN
ist Leiter Engineering bei der APL GmbH in Landau.
DR.-ING. MARCUS GOHList Teamleiter Mechanikentwicklung
im Bereich Engineering bei der APL GmbH in Landau.
Verhalten der Variante A ist durch eine Kolbengruppe mit verminderter Ab dichtwirkung bestimmt, was ins-besondere im Schubbetrieb und in der Volllast ab 3000/min zu einem drastischen Anstieg der Ölemissionen führt. Kennfeld B bildet das Verhalten eines gut abgestimmten Ringpakets nach der Optimierung ab. Die Ölemis-sion erhöht sich tendenziell mit steigen-der Drehzahl und Last.
Neben einer Optimierung der quasi-stationären Ölemission liegt der Fokus auf transienten Untersuchungen. Hierzu wurden beide Varianten in einem kun-denrelevanten Fahrprofil mit moderaten Drehzahl-Last-Kollektiven untersucht. Ins besondere in den dynamischen Pha-sen zeigt sich eine erhöhte Ölemission bei der Ausgangsvariante A, ①, welche zu einer Erhöhung des Zyklusmittelwerts um den Faktor 2 führt. Die Messung
zeigt insbesondere nach Lastsprüngen aus dem Schub einen signifikanten dy -namischen Einfluss auf die Ölemission. Dieser Effekt lässt auf eine Kontaminie-rung des Zylinders mit flüssigem Öl aus der Schubphase schließen.
Zur gezielten Betrachtung von dyna-mischen Effekten werden individuelle Betriebsprofile erstellt. ❷ zeigt beispiel-haft einen synthetischen Fahrzyklus mit unterschiedlichen Schubphasen und
0
Dre
hmom
ent
[%]
0
50
100
150
200
Öle
mis
sion
[%
]
Par
tike
lanz
ahl [
%]
0
Dre
hmom
ent
[%]
0
Öle
mis
sion
[%
]
0
100 100
200
100
Zeit [min] Zeit [min]
9 15 18180
Ölemission Variante A
Ölemission Variante B
Ölemission Variante A
Partikelanzahl Variante B
Partikelanzahl Variante A
Schubbetrieb
❷ Individuelle Betriebsprofile zur Charakterisierung von transientem Motorbetrieb
Zeit [min]
Öle
mis
sion
[%
]
Zeit [min]
Öle
mis
sion
kum
ulie
rt [
%]
48 %
25 %
75 %33 %15 %
Dynamisch
StationärDynamischerAnteil
DynamischerAnteil
Motorvariante BMotorvariante A100
60
20
50
30
10
0
0
20
40
60
80
100
Leistung [%] Leistung [%]
Öle
mis
sion
[%
]
100 10000
0 20 0 20
DynamischerAnteil
DynamischerAnteil Stationärer
Anteil
Ölemission imStationärbetrieb
Ölemissiondurch Abdampfen
Ölemission imdynamischen
Zyklus
Ölemission imStationärbetrieb
Ölemission imdynamischen
Zyklus
Ölemissiondurch Abdampfen ❸ Analyse von stationärem und
dynamischem Ölemissionsverhalten
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anschließendem Verbrennungsbetrieb. Ölanteile gelangen während der Schub-phase in den Brennraum und werden unter anderem aufgrund der thermischen Randbedingungen nur zu einem geringen Anteil emittiert. Der weitaus größere Anteil wird nach dem Wiedereinsetzen des Verbrennungsprozesses im anschlie-ßenden Betriebspunkt unter den entspre-chenden thermischen Randbedingungen freigesetzt und ist an der Bildung von Partikeln beteiligt. Visuelle Untersuchun-gen durch Endoskopie nach längerem Schubbetrieb belegen entsprechende Ölfilme auf dem Kolbenboden und der Zylinderwand. Die Höhe des Ölübertritts im Schubbetrieb hängt neben dem Dicht- und Abstreifpotenzial der Kolbenringe auch vom Druckgefälle zwischen Kurbel- und Brennraum ab. Darüber hinaus spielt das Ölangebot, zum Beispiel durch das Öffnungsverhalten der Kolbenkühldüsen, eine entscheidende Rolle. Aufgrund der engen Grenze zwischen applikativen Maßnahmen und ungewollten fahrdyna-mischen Einflüssen ist häufig die Kombi-nation mit einer schubtoleranten Kolben-ringpaarung zielführend.
Ähnliche Effekte können auch nach Last- und Drehzahländerungen beobach-tet werden. Die systematische Analyse der Signalverläufe erlaubt die Prognose des Motorverhaltens im transienten Be -trieb und das Zerlegen der Ölemission in
stationäre und dynamische Anteile. In ❸ ist die rechnerische Zerlegung der Öl -emission in den stationären und dynami-schen Anteil über den Fahrzyklus darge-stellt. Es wird deutlich, dass der wesent-liche Unterschied zwischen den beiden Motoren aus dem dynamischen Betrieb resultiert (75 % bei Variante A). Das Ver-hältnis zwischen stationärem und dyna-
mischem Anteil ist als nichtproportional anzusehen und für jede Parametervari-ante einzeln zu bewerten. Bei der Dar-stellung über die Leistung sind sowohl die Kennfeldmessung als auch die An -teile des dynamischen Zyklus aufgetra-gen. Auffällig ist der lineare Zusammen-hang eines Großteils der unterschied-lichen Betriebspunkte. Es handelt sich
Zylinderwand
Ölfilm
Kühlwasser Brennraum
u(y)
T(y)
y
x
cf
c∞Konzentration
ThermischeBilanzgrenze
Konvektion: α · ∆A · ∆T
Verdampfungsenthalpie: m· Öl · ∆h
Konvektion: α · ∆A · ∆T
Strahlung: ∆A · ε · σ · (TB4 – TÖl
4)
Stoffaustausch: m· = n· · M~ · dA
40
30
20
10
0Leistung [%]
Öle
mis
sion
[%
]
Abdampfen
unterschiedlicherÖlformulierungen
❹ Ölemission durch Abdampfen von der Zylinderlaufbahn (schematische Darstellung)
Reverse-Blow-by
P2
Brennraumdruck
P1
P1Blow-by durchStoß
Blow-by durchuntere Flanke
Blow-by durchobere Flanke
Blow-by durchLauffläche
0
Blo
w-b
y am
Topr
ing
0
100 %
Axi
ale
Bew
egun
gTo
prin
g
GOT UT ZOT
Kurbelwinkel
UT GOT
Dru
ckve
rlau
f
Blow-by
Reverse-Blow-by
BrennraumdruckP1
Variante AZwischenringdruck
P2Variante B
Zwischenringdruck P2
Variante AAxiale Ringbewegung
Variante BAxiale Ringbewegung
Variante ABlow-by
Variante BBlow-by
❺ Betrachtung der Kolben ring- und Gas-dynamik (schematische Darstellung)
01I2014 75. Jahrgang 47
hierbei um den funktionsbedingten Öl-verlust durch Abdampfen von der Zylin-derlaufbahn.
Der Brennraum kann hierbei als offenes System betrachtet werden, in dem der Gasmassenaustausch infolge des Ladungswechsels geschieht. Das Schmier öl, das während des Arbeits-spiels vom Kolbenring im Abwärtshub des Kolbens auf der Zylinderwand als Schmierfilm zurückgelassen wird, kann den Motor durch Abdampfen verlassen. Hohe Brennraumgastemperaturen und Wärmeübergangszahlen führen sowohl während des Verbrennungsvorgangs als auch im Ausschiebetakt zum Stofftrans-port über die Phasengrenze zwischen dem Schmieröl und dem Verbrennungs-gas, ❹. Der Austausch ist neben der Geschwindigkeit des Gases an der Ober-fläche wesentlich von den Temperatur- und Druckrandbedingungen sowie der Ölzusammensetzung abhängig. Die ent-sprechenden Stoffeigenschaften des Öls, wie der Flammpunkt, der Dampfdruck und der Ölgehalt des Gases bei Sätti-gung, wer den über umfassende chemi-sche Laboranalysen bestimmt. Es wur-den die abgedampften Ölmengen unter-schiedlicher Schmierölvarianten unter den entsprechenden Randbedingungen und mit den betriebsbedingten Rest-filmhöhen be rechnet. Es wird deutlich, dass selbst bei gut abgestimmten Motoren ein Ölverlust unvermeidbar
ist. Bei den niedrigen Öl verbräuchen moderner Verbrennungsmotoren beträgt er lediglich wenige Molekül-lagen pro Arbeitsspiel.
SIMULATION KOLBENGRUPPE
Prüfstandsuntersuchungen mit den beschriebenen Online-Messtechniken erlauben bereits frühzeitig eine Beur-teilung der Kolben-, Kolbenring- und Zylinderlaufbahnauslegung sowie die Absicherung kritischer Bauteiltoleran-zen. Die Kombination aus hochdyna-mischen On line-Messungen und Simula tionswerkzeugen wie Kori3D, Ansys Fluent und selbstentwickelten Matlab/Simulink-Routinen sowie -Pro-grammen führt zu weiteren methodi-schen Vorteilen und ermöglicht es, zeit- und kostenaufwendige Motor-versuche zur Überprüfung einzelner Maßnahmen weiter zu reduzieren.
Die Ölemission der Kolbengruppe kann sich durch eine ungünstige Kol-benring- oder Gasdynamik erhöhen [4]. Das Schmieröl, das den Topring und Feuersteg passiert hat, kann in der Regel dem Schmierölkreislauf nicht mehr zugeführt werden. Die Berechnung beschreibt zu nächst das Bewegungsver-halten der Kolbenringe in Abhängigkeit von inneren und äußeren Kräften relativ zur Zylinderbuchse und Ringnut. Die Grundlage hierfür bildet die mehrkörper-
dynamische Betrachtung des Bewe-gungsverhaltens der Ringe, gekoppelt mit den Wechselwirkungen, die durch Gasdynamik, Trägheitswirkungen und den Einfluss der Oberflächenmikrostruk-tur der Laufflächen von Ring und Zylin-der auf die hydrodynamische Schmier-filmbildung sowie den Festkörpertrag-anteil bestimmt werden.
In diesem Zusammenhang ist das Bewegungsverhalten des ersten Kolben-rings zu beachten. ❺ zeigt ein axiales Abheben des Toprings aufgrund der Situation, dass der Zwischenringdruck P2 den Brennraumdruck P1 nach dem Öffnen des Auslassventils übersteigt. Das somit resultierende sogenannte Reverse-Blow-by kann gasförmige und flüssige Ölanteile in den Brennraum transportieren. So entstehende Schmier-mittel-Tröpfchen können zu lokalen Gasgemischen mit verringertem Zünd-verzug führen und die Vorentflammung im Brennraum begünstigen.
GESAMTKONZEPT ÖLEMISSIONS-ANALYSE UND -OPTIMIERUNG
Die Basis für eine entwicklungsbeglei-tende Optimierung der Partikel- und Öl emissionen ist die methodische Ver-messung unterschiedlicher Bauteil- und Applikationsparameter am befeuerten und geschleppten Versuchsträger auf Basis individueller und reproduzierba-rer Betriebsprofile, wie oben beschrie-ben. Zur gezielten Analyse der motori-schen Zusammenhänge mit den resul-tierenden Abgasemissionen werden moderne Online-Messtechniken einge-setzt. Auf Basis der erzeugten Ergebnis-matrix wird die Weiterentwicklung von Bauteilen und Brennverfahren für die nachfolgenden Baustufen betrieben.
Im ersten Schritt der Modellerstellung werden die wesentlichen geometrischen Parameter, die Stoffeigenschaften des Schmieröls und die Oberflächenstruk-turen implementiert, ❻. Diese Werte stammen aus Konstruktionsdaten und aus Ergebnissen weiterer Bauteilver-messungen und Laboranalysen. Hierbei sind sowohl Untersuchungen vor, als auch nach dem motorischen Betrieb von Interesse, um beispielsweise Ände-rungen der Bauteile oder des Schmier-mittels bei Einlaufvorgängen zu doku-mentieren. Bei der Kennfeldberechnung wird die Simulationskette mit der Grund-parametrierung für unterschied liche
Betriebspunkte mehrfach auto matisch durchlaufen. Die entsprechenden spezi-fischen Daten wie Zylinderdruckverläufe und Zylinderwandtempera turen basieren auf den Ergebnissen der moto ri schen Untersuchungen. Durch eine gezielte Feinabstimmung der Para metrierung wird in den folgenden Schritten ein Abgleich der gemes senen und simulier-ten Daten für die Basis variante erreicht.
FAZIT
Mit dem abgestimmten Modell können Parametervariationen unter Zuhilfe-nahme von statistischen Methoden (Design of Experiment, DoE) durch ge-führt werden. Die berechneten Kenn-feldergebnisse er lauben eine Aussage für den stationären Motorbetrieb. Zusätz-lich werden für die Analyse gemessene Ergebnisse aus Datenbanken herange-zogen, sodass auch Prognosen für den dynamischen Betrieb getroffen werden können. Nach einer Vorauswahl wird der Motor mit den entsprechenden Varianten bestückt, um die Ergebnisse anhand von Prüfstandsmessungen zu validieren. Die Vergleichsanalyse erlaubt es schließlich, die erzielten Ergebnisse im Wettbewerb einzuordnen. Die Kom-bination von dynamischer Messtechnik und Simulation ermöglicht somit die zielgerichtete Reduzierung der Öl emis-sion ohne negativen Einfluss auf Reib-leistung und Blow-by-Verhalten.
LITERATURHINWEISE[1] Hadler, J.; Lensch-Franzen, C.; Kronstedt, M.: Emissionsbilanzen der Energieketten – Potenziale für nachhaltige Mobilität. 8. MTZ-Fachtagung „Der Antrieb von morgen“, Wolfsburg, 2013[2] Hadler, J.: Ölemissionsreduzierung – Ein signi-fikanter Faktor. In: MTZ 74 (2013), Nr. 11, S. 920[3] Gohl, M.; Brandt, S.; Budde, M.; Krause, S.: Einfluss der Gemischbildung auf die Ölemissionen von Verbrennungsmotoren. In: MTZ 72 (2011), Nr. 1, S. 62-67[4] Gohl, M.; Appel, N.; Robota, A.: Vergleichende Untersuchungen zwischen Ölverbrauch und Ölemis-sionen an einem Ottomotor. In: MTZ 67 (2006), Nr. 5, S. 360-367
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