Please choose your delivery country and your customer group
Im Rahmen des hier vorgestellten Projektes sollte untersucht werden, inwiefern mittels einer direkten Wassereinspritzung (DWI) in den Zylinder positive Effekte beim Betrieb eines Ottogasmotors erzielt werden können. Dabei war von Interesse, welche Potenziale die Wassereinspritzung in Bezug auf NO(x)-Minderung, Wirkungsgradsteigerung, Klopfverhalten und Erhöhung des effektiven Mitteldruckes aufweist. Dazu wurde an einem 1-Zylinder-Forschungsmotor mit 13.6 I Hubraum, ungeteiltem Brennraum und Vorkammerzündkerze der Einfluss einer direkten Wassereinspritzung in den Zylinder auf wichtige Kennwerte und das Betriebsverhalten des Motors untersucht. In einer Reihe von Versuchen wurden zunächst die Hauptparameter der Wassereinspritzung -Beginn und Dauer - in weiten Bereichen variiert. Es folgten Untersuchungen mit verschiedenen Einspritzparametern, in denen ermittelt wurde, wie sich die Wassereinspritzung auf das Klopfverhalten und damit auf sich jeweils ergebende Betriebsfenster und den realisierbaren Mitteldruck auswirkt. Dabei wurden Wasseranteile bis ca. 40 %, bezogen auf die zugeführte Brenngasmasse, bei effektiven Mitteldrücken zwischen 16 und 23,5 bar realisiert. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Wassereinspritzung hat eine stark NO(x)-mindernde Wirkung. Bei unveränderter Motoreinstellung verschiebt sich mit zunehmendem Wasseranteil aber auch der Verbrennungsschwerpunkt in Richtung spät, was eine Verschlechterung des Wirkungsgrades nach sich zieht. Vergleicht man Betriebspunkte gleicher NO(x)-Emission, so kann mit der Wassereinspritzung eine Wirkungsgradverbesserung von 1 ... 1,5 %-Punkten erzielt werden. Grund dafür sind der frühere Zündzeitpunkt und die dadurch frühere Schwerpunktlage der Verbrennung. Eine Wassereinspritzung im Einlasstakt ist hinsichtlich NOx-Senkung wesentlich effektiver als eine Einspritzung während der Kompression. Unter dem Einfluss der Wassereinspritzung verschiebt sich die Klopfgrenze in Richtung früherer Zündzeitpunkte. Dieser Effekt ist wiederum wesentlich stärker bei Einspritzung im Einlasstakt ausgeprägt und hat eine starke Verbreiterung des Betriebsfensters zur Folge. Die Wassereinspritzung im Einlasstakt führte außerdem zu einer spürbaren Verbesserung der Verbrennungsstabilität. Dadurch vergrößert sich auch der Abstand zur Aussetzergrenze. Bei steigendem Mitteldruck konnte mit optimierten Parametern der Wassereinspritzung die Klopfgrenze völlig unterdrückt werden. Dadurch war es möglich, die Zylinderleistung bis zur mechanischen Belastungsgrenze zu steigern und somit den fahrbaren Mitteldruckbereich des Motors auf Pe-Werte > 23 bar erheblich auszuweiten.
Within the scope of the project introduced here it had to be examined to what extent a direct water injection (DWI) into the cylinder can have positive effects on the performance of a SI gas engine. It was of specific interest what potentials water injection has regarding:NOx reduction, Improvement of efficiency, Knocking behaviour, and Increase of BMEP. For this purpose, the effect of DWI on essential characteristics and operating performance was examined on an 1-cylinder research engine featuring 13.6 I volumetric displacement, open combustion chamber and pre-chamber spark plug. In a number of tests, at first the main parameters of water injection - start and duration - were changed in wide ranges. This was followed by tests with various injection parameters to find out how DWI influences the knocking behaviour and thus the operating windows and feasible BMEP resulting in each case. Water contents up to approx. 40% related to the supplied fuel gas weight at BMEP's between 16 and 23.5 bar were realized in these tests. The results can be summarized as follows: Water injection has a great effect on NOx reduction. However, with unchanged engine settings, an increased water content delays the main combustion resulting in a decrease of combustion efficiency. Comparing operating points having the same NOx emission, water injection can bring an increase of combustion efficiency by 1 - 1.5%points. Advanced ignition timing and thus an advanced center of heat release is the reason for this. When it comes to NOx reduction, DWI in the intake stroke is considerably more efficient than injection during compression. Under the effect of DWI the knock limit moves towards earlier ignition timings. Also here, this effect is more distinct for injection in the intake stroke and results in a great widening of the operating window. Additionally water injection in the intake stroke led to a noticeable improvement of - combustion stability. This also increases the margin to the misfiring limit. With increasing BMEP and optimized parameters of DWI it was possible to fully suppress the knock limit. This allowed an increase of cylinder performance up to the mechanical load limit and thus a considerable extension of the feasible BMEP level of the engine to values >23 bar.