In this thesis various aspects of the diesel engine fuel injection, combustion and emission formation processes have been evaluated. Several types of evaluation tools and methods have been applied. Fuel spray momentum was used to characterize injection rate and hole-to-hole variations in fuel injectors. Using both instantaneous fuel impulse rates and instantaneous mass flow measurements, spray velocity and nozzle flow parameters were evaluated. Several other hole-to-hole resolved injector characterization methods were used to characterize a set of fuel injectors subjected to long term testing. Fuel injector nozzle hole-to-hole variations were found to have a large influence on engine efficiency and emissions. The degree of hole-to-hole variations for an injector has been shown to correlate well with the performance deterioration of that injector. The formation and atomization of fuel sprays, ignition onset and the development of diffusion flames were studied using an optical engine. Flame temperature evaluations have been made using two different methods. NO-formation depends strongly on flame temperature. By applying a NO-formation evaluation method based on both heat release rate and flame and gas temperature it was possible to achieve a reasonable degree of correlation with measured exhaust emissions for very varying operating conditions. The prediction capability of the NO-formation evaluation method was utilized to evaluate spatially and temporally resolved NO-formation from flame temperature distributions. This made it possible to pinpoint areas with a high degree of NO-formation. It was found that small hot zones in the flames can be responsible for a large part of the total amount of NO that is produced, especially in combustion cases where no EGR is used to lower the flame temperature. By applying optical diagnostics methods the combustion and emission formation phenomena encountered during production engine transients were evaluated. The transient strategy of the engine involved reducing the EGR-rate to zero during the initial parts of the transient. Increased general flame temperature and the occurrence of small hot zones were found to explain the increase in NO-emissions during these transients. / QC 20110530

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Um die beiden Hypothesen, dass (1) die Anzahl der Doppelbindungen der veresterten Fettsäuren einen Einfluss auf die Mutagenität der DME hat, und (2) dass die Oxidation (künstliche Alterung) verschiedener FAME und Blends höhere Mutagenität der DME bewirkt, zu untersuchen, wurden Abgasproben der folgenden Kraftstoffe verwendet: DK, PME, RME, LME, B20, B20alt, B20E2, B20altE2, RMEalt. Die Abgasproben wurden über Testläufe mit einem Mercedes-Benz OM 906 Euro-IIIMotor, der im ESC Testzyklus betrieben wurde, gewonnen. Die Mutagenität der Abgasproben wurde mittels des Ames-Tests untersucht. Sowohl die Positiv- als auch die Negativkontrollen bestätigten, dass die Reagenzien und Teststämme für die Versuche geeignet waren. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die unter Punkt 1.5.1 (S. 17) beschriebene Hypothese, dass die Anzahl der Doppelbindungen der veresterten Fettsäuren einen Einfluss auf die Mutagenität der DME hat, bestätigte. Sowohl bei den Kondensaten, als auch den Partikulaten konnte gezeigt werden, dass die DME der FAME mit der geringeren Anzahl an mehrfach ungesättigten Fettsäuren signifikant geringer mutagen waren, als die DME der FAME mit der höheren Anzahl an mehrfach ungesättigten Fettsäuren. So ergab sich eine Reihenfolge der FAME mit aufsteigender Mutagenität ihrer DME: PME < RME < LME. Dieses Ergebnis war vor allem bei den Kondensaten in beiden Teststämmen (TA98, TA100) mit als auch ohne metabolische Aktivierung und bei den Partikulaten im Stamm TA98 ohne metabolische Aktivierung zu sehen. Die zweite Hypothese, dass die Oxidation (künstliche Alterung) verschiedener FAME und Blends höhere Mutagenität der DME bewirkt, wurde widerlegt. Zur Untersuchung dieser Hypothese wurden neben FAME (RME, RMEalt) folgende Blends verwendet: B20, B20alt, B20E2, B20altE2. Es konnten zwei signifikante Unterschiede erzielt werden, die jedoch für einen Beweis nicht ausreichten. Zusätzlich traten die signifikanten Unterschiede nicht im selben Teststamm auf und die Abgase der gealterten Form waren nicht durchgängig mutagener als die Abgase der nicht gealterten Form. Der Beweis eines signifikanten Unterschiedes, dass die Oxidation von FAME höhere Mutagenität der DME der dadurch gealterten FAME hervorruft, war daher nicht möglich. Weiterhin wurde ein Blend mit 2% Ethanol und 2% Butanol verschnitten. Der erhoffte Effekt der Alkoholadditivierung, eine Homogenisierung des FAME-Anteils durch Sedimentauflösung von oxidativen Abbauprodukten von FAME-Blends zu bewirken, blieb ebenso aus. Bei der Betrachtung der GPM zeigte sich, dass die FAME nicht die höchste GPM, aber die größte LOF besitzen. Dies spiegelte sich in der Mutagenität der DME der FAME verglichen mit denen des DK wieder. DK hatte zwar einen höheren Wert der GPM, aber einen kleineren Anteil der LOF. Die Abgase der FAME zeigten sich tendenziell mutagener als die des DK, jedoch ohne signifikante Ergebnisse. Dieser Effekt war v.a. bei den Kondensaten zu sehen. Die erhöhte Mutagenität der FAME-Abgase gegenüber den DK-Abgasen lässt sich anhand verschiedener Hypothesen erklären, die aber noch nicht ausreichend untersucht oder bewiesen sind.

Mit dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde eine geschlossene Kette von Versuchsträger und Messtechniken geschaffen, die eine detaillierte und grundlegende Analyse der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung von der Ausbildung des Sprays in der kalten Einspritzkammer über die Detektion der Kraftstoffverdampfung in der heißen Einspritzkammer und der spektralen Analyse der Verbrennung des Kraftstoffes in den verschiedenen Wellenlängenbereichen im Transparentmotor ermöglichen. Für eine richtige Interpretation der optischen Messungen ist die quantitative Analyse des Verbrennungsprozesses im Einzylinder-Forschungsmotor hinsichtlich der Abgasemissionen und des Wirkungsgrades der Verbrennung unentbehrlich. So zeigte die optische Grundvermessung der Einspritzdüsen mit den unterschiedlichen Spritzlochgeometrien in der kalten Einspritzkammer unter der Anwendung der Streulichtmesstechnik eine sehr gute Strahlsymmetrie des Sprays während des Einspritzvorganges und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge. Dies liegt unter anderem in der Bauform der Einspritzdüse mit Sackloch begründet. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Durchflusskoeffizienten des Spritzloches ein kompakteres Spray mit einer höheren Eindringgeschwindigkeit und düsenfernerem Strahlaufbruch generiert. Die Versuche zum Verdampfungsverhalten des Kraftstoffsprays in der heißen Einspritzkammer unter Einsatz der kombinierten Streulicht- und Schattenmesstechnik zeigten für die Spritzlochgeometrien mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten eine Verlagerung des verdampften Kraftstoffvolumens in düsenferne Gebiete und eine Erhöhung der Eindringtiefe des flüssigen Kraftstoffes. Die Anwendung der Streulichtmesstechnik zur Detektion des flüssigen Kraftstoffes und der Einsatz von Kamerasystemen zur Erfassung des Eigenleuchtens im ultravioletten Spektralbereich und im sichtbaren Spektralbereich der Verbrennung im Transparentmotor belegen eine deutliche Intensivierung des Strahlaufbruchs in düsenfernen Bereichen für die Einspritzdüsen mit steigendem Durchflusskoeffizienten. Das führt zu einer verbesserten Gemischaufbereitung unter der Ausnutzung des in diesen Gebieten vermehrt zur Verfügung stehenden Sauerstoffes. Im Emissionspunkt mit hohem Einspritzdruck wird die Brennraumwand intensiv in die Gemischaufbereitung und die Verteilung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches eingebunden. Die Einführung zusätzlicher motorrelevanter Parameter wie Voreinspritzung und Abgasrückführung im Emissionspunkt verdeutlichen die Möglichkeit der Absenkung der Rußemissionen beim Einsatz von Spritzlöchern mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten. In diesen Betriebspunkten mit geringer Motorlast wird mit der weiteren Optimierung der Strömungsverhältnisse im Spritzloch durch den Einsatz der ks-Spritzlochgeometrie die Gemischbildung und Verbrennung so intensiviert, dass eine nochmalige Senkung der Rußemissionen erzielt werden konnte. Durch den Einsatz von Einspritzdüsen mit ks-Spritzlochgeometrie kann gegenüber Einspritzdüsen mit konischen Spritzlöchern eine positive Beeinflussung der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung in allen untersuchten Lastpunkten nachgewiesen werden. So erzielt man im Schwärzungspunkt mit der Erhöhung des Durchflusskoeffizienten sinkende Rußemissionen und eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennung. Im Leistungspunkt konnte ein Abnehmen der Rußemissionen bei einem vergleichbaren Wirkungsgrad der Verbrennung festgestellt werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Spritzlochgeometrie der Einspritzdüse einen wichtigen Parameter darstellt, die Wechselwirkung des Sprayaufbruchs und die Ausnutzung der Ladungsbewegung im Brennraum mit der Interaktion des aufbereiteten Kraftstoffes an der Brennraumwand so zu steuern, dass die Abgasemissionen schon innermotorisch gesenkt und der Aufwand an Abgasnachbehandlungssystemen auf ein Minimum reduziert werden kann.

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