EffiziEnzstEigErung in dEr diEsElmotorEn-KältEappliKationDer Dieselmotorenkaltstart besitzt bezüglich Startzeit, Akustik, Emissionen sowie Laufruhe eine

starke Kundenrelevanz und steht selbstverständlich im Fokus der Dieselmotoren-Entwickler. Nicht

zuletzt auch im Zuge der Tendenz zur Verdichtungsabsenkung aus Emissionsgründen steigt der

Bedarf an effizienten Prozessen zur Absicherung der Kaltstartbarkeit und Optimierung des Kalt-

leerlaufs. IAV hat daher neben den Aspekten Konditionierung, Automatisierung und Datenanalyse

auch die Bestimmung und Optimierung der Glühtemperatur untersucht.

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Entwicklung MOTOrSTEuEruNG

OptimiErungsansätzE

In der Dieselkälteapplikation werden heute ein bis zwei Kaltstarttests pro Arbeitstag im Temperaturbereich von -10 bis -30 °C durchgeführt. Ob im Motorprüfstandsver-such oder als Fahrzeugmessung können aufgrund der zeitaufwendigen Temperatur-konditionierung im Vergleich zu anderen Entwicklungsfeldern nur relativ langsam ergebnisorientierte Daten gesammelt wer-den. Dem erhöhten Zeit- und somit auch Kostenfaktor stehen qualitative Anforderun-gen an die Kälteapplikation gegenüber, die mit der Glühstrategie, Voreinspritzcharakte-ristik und Haupteinspritzvariation als wich-tigste Parameter einen mehrdimensionalen Verstellraum besitzt. Aufbauend auf Grund-lagenuntersuchungen im Labor [1] sind vie-le Einflüsse auf das Dieselbrennverfahren bei Serienmotoren, 1, nur durch Versuchs-reihen und Parametervariationen genau de-finierbar und schon aufgrund unterschied-licher Einspritzsysteme und Brennraum-geometrien als motorspezifisch an zusehen. Man ist also auf intensive Mess datenerfas-sung angewiesen. Dabei liegt das Potenzial in der Erhöhung der Versuchsanzahl und der Effizienz der Datenanalyse.

kaltstartvErsuch – aktivE kOnditiOniErung

Die übliche Konditionierzeit beträgt acht bis zwölf Stunden. Versuche, diese zu reduzie-ren, wurden bereits unter Normbedingungen

dipl.-ing. carstEn EngEist Entwicklungsingenieur im Bereich

Dieselapplikation im Entwicklungs-zentrum der IAV GmbH in Chemnitz.

dipl.-ing. (Fh) ralF stErnbErgist Teamleiter im Bereich

Diesel applikation im Entwicklungs-zentrum der IAV GmbH in Chemnitz.

dipl.-ing. wOlFgang tschiggFrEiist Leiter Applikation Dieselmotoren

im Geschäftsbereich Powertrain Mechatronik der IAV GmbH in Berlin.

AuTOrEN

❶ Einflussfaktoren auf das Dieselbrennverfahren

5701I2012 73. Jahrgang

(25 °C) durchgeführt [2]. In der Kältekammer wurden zwei weitere Methoden bei einem 2,2-l-Vierzylinder-Reihenmotor angewandt und miteinander verglichen. Die Versuchs-aufbauten sind in 2 schematisch dargestellt.

Bei Variante A wurde in den Motorkühl-kreislauf eine Thermoschockanlage einge-bunden, die über zwei Kühlmittelreservoire verschiedener Temperaturniveaus verfügt. Während der Motor sich in Ruhestellung befindet, wird er mittels einer externen Pumpe mit Kühlmittel durchströmt. Um Schaden am Motor zu vermeiden, wurde mit 0 °C vorkonditioniert und anschlie-ßend auf -20 °C abgekühlt. Die Konditio-nierung des Motorenöls, dessen Viskosität einen signifikanten Einfluss auf das Reib-verlustmoment hat, ist für realitätsnahe

Versuchsbedingungen von großer Bedeu-tung. Dafür wird es über einen Sekundär-kreislauf mit einem in den Motorkühlkreis-lauf eingebundenen Wärmetauscher sepa-rat abgekühlt.

Variante B bedient sich nur der Küh-lung über die Umgebungsluft in der Ver-suchskammer und kommt ohne den Ein-satz einer Thermoschockanlage aus. Diese ist durch einen regulären Fahrzeugkühler ersetzt worden, der in Kombination mit einem Gebläse das Kühlmittel im Kreis-lauf auf die kalte Umgebungstemperatur abkühlt. Auch hier werden externe Pum-pen eingesetzt und der Motor in Ruhestel-lung belassen. Der kompakte Aufbau kann auf einer Motorpalette montiert oder in ein Fahrzeug integriert werden.

Zur Überwachung der Temperaturen wurden Thermoelemente sowohl im Zylin-derkopf, am Saugrohr, am Thermostat als auch in der Ölwanne verbaut. Die Tempe-raturverläufe beider Varianten zeigen, dass nach circa 45 min eine Öltemperatur von -20 °C erreicht wird, wenn die Sollwerte bei Variante A um 2 K und die Umge-bungsluft in der Kältekammer bei Variante B um 4 K vorgehalten werden. Nach weite-ren 30 min Stabilisierungszeit konnte ein Temperaturzustand sichergestellt werden, der dem einer konventionellen Konditio-nierung entspricht. Im bisher untersuchten Temperaturbereich bis -20 °C konnten keine Nebeneffekte der Schnellkonditionie-rung festgestellt werden.

Während der Prozess von Variante A mit verkürzter Vorkonditionierung noch beschleunigt werden könnte und der Motor unabhängig von seiner Umgebungstem-peratur abgekühlt wird, erweist sich der wesentlich vereinfachte Aufbau mittels Fahrzeugkühler als kostengünstiger und fle-xibler einsetzbar. Auf beiden Wegen ist es gelungen, vier Kaltstarts (in klusive Aufheiz-phase) innerhalb von acht Stunden durch-zuführen, wobei etwa sechs Stunden für die Konditionierung aufgewendet wurden.

autOmatisiErung

Gerade bei Tests mit langer Vorbereitungs-phase stellen Fehlversuche Mehraufwand dar, und abweichende Randbedingungen

2 Aktive Motorkonditionierung mittels Thermoschockanlage (Variante A, links) oder Fahrzeugkühler und Gebläse (Variante B, rechts)

3 Automatisierter Kaltstarttest, Ereignisse werden durch CaliAV erfasst und Aktionen gesteuert

Entwicklung MOTOrSTEuEruNG

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spiegeln sich als Unsicherheiten im Ergeb-nis wieder. Aus diesem Grund ist die Ver-besserung der Reproduzierbarkeit ein wei-terer Aspekt der Effizienzsteigerung im Kälteversuch.

Die Idee, den Kaltstart mit den oben genannten Zielen zu automatisieren, liegt daher nahe. Das Applikationssystem INCA in Verbindung mit der dafür vorgesehenen Automatisierungssoftware CaliAV stellen dafür die technischen Möglichkeiten. Nach dem Baukastensystem kann der Ver-suchsablauf zusammengestellt werden. Ereignisse wie Vorglühen oder Startab-wurf sowie Laufzeiten werden erfasst und die einzelnen Phasen des Kaltstartver-suchs automatisch durchlaufen. Dabei ist die aktive Einflussnahme auf das Motor-management mittels INCA und die Ansteuerung zusätzlicher Technik (zum Beispiel Soundrecorder) möglich. Der Sachbearbeiter hat ein Assistenzsystem und kann seine Aufmerksamkeit mehr dem subjektiven Eindruck widmen. 3 zeigt einen Programmablauf als Beispiel für einen automatisierten Kaltstart, bei dem die einzige manuelle Handlung das Einschalten der Zündung ist.

Am Ende des Automatikprogramms ist ein Block zur Sofortanalyse der erfassten Daten integriert. Aussagekräftige Parameter werden berechnet, um das Versuchsergeb-nis schneller vergleichen zu können und Anomalien aufzudecken. Beispiele dafür sind die Startzeit, die Drehzahlschwan-kung oder die Häufigkeitsverteilung von Verbrennungsaussetzern als Resultat der im folgenden Abschnitt beschriebenen thermodynamischen Analyse.

EchtzEitbErEchnung in dEr zylindErdruckindiziErung

Die Brennraumindizierung ist Standard im Kälteversuch. Mittels Piezo-Drucksensoren werden dabei die Zylinderdrücke zeitlich hoch aufgelöst gemessen und Zyklen von 0 bis 720° KW gebildet. Zylinderspezifisch werden diese statistisch und thermodyna-misch analysiert, um zum Beispiel den Druckanstieg und die Energieumsatz-punkte zu ermitteln. Das von der IAV GmbH entwickelte Indiziersystem Indicar führt diese Berechnung in Echtzeit durch und unterstützt das CAN-Protokoll zur Datenübertragung. Mit diesen beiden Opti-onen ist die Zusammenführung mit Mess-werten aus der Motorsteuerung in einer

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TECHNIK BEWEGT.

Geschäftsführer: Dr. Ralf Birkelbach (Vors.), Armin Gross, Albrecht F. Schirmacher. AG Wiesbaden HRB 9754

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Kolben - notwendige Voraussetzung für den Kern des Verbrennungsmotors

MAHLE GmbH (Hrsg.)

Kolben und motorische Erprobung2011. XIII, 284 S. mit 269 Abb. und 20 Tab. (ATZ/MTZ-Fachbuch) Geb. EUR 49,95ISBN 978-3-8348-1452-4Die immer weiter steigenden Anforderungen an Verbrennungsmo-toren machen auch vor dessen Herzstück – dem Kolben – nicht Halt. Für weniger Gewicht, Reibung oder auch noch mehr Ver-schleißfestigkeit sind tiefe Kenntnisse über die innermotorischen Prozesse sowie die geeigneten Werkstoffe, Konstruktions- und Bearbeitungsverfahren für Kolben inklusive der erforderlichen Erprobungsmaßnahmen notwendig. Ohne dieses spezifi sche Know-how kommt kein Fachmann der Kfz-Technik mehr aus, unabhängig ob er in der Konstruktion, der Entwicklung, der Erpro-bung oder der Instandhaltung tätig ist. Dieses Fachbuch beant-wortet alle Fragen ausführlich, anschaulich und verständlich.

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ExemplareKolben und motorische ErprobungISBN 978-3-8348-1452-4 EUR 49,95

01I2012 73. Jahrgang

Datei, basierend auf derselben Zeitbasis, in INCA möglich. Die Verbrennungsparame-ter können auf dieses Weise in die automa-tische Versuchsauswertung eingebunden und in der Detailanalyse den Motorsteuer-größen direkt gegenübergestellt werden.

4 verdeutlicht das am Beispiel des Kalt-leerlaufs. Steuergeräteparameter (Motor-drehzahl, Einspritzmenge) und Indizier-parameter (Druckanstieg, 50 % Energie-umsatzpunkt) werden ohne Postprozess nach der Messung im Zusammenhang dargestellt. In dem zeitlich hochaufgelös-ten Ausschnitt eines Kaltleerlaufs lässt sich auf die Ursache von Druckspitzen schließen, die zu einem harten Verbren-nungsgeräusch führen. Als Folge von Ver-brennungsaussetzern in Zylinder 3 und 4, die über den 50-%-Energieumsatzpunkt detektiert werden, sinkt die Motordreh-zahl unter die Leerlaufsolldrehzahl. Der Leerlaufregler reagiert darauf mit ange-hobener Einspritzmenge, die während der Verbrennung zu einem extremen Druck-anstieg in Zylinder 1 führt. Betrachtet man die zwei darauffolgenden lokalen Maxima der Einspritzmenge und die dazugehörigen Druckanstiege, wird deren Abhängigkeit deutlich. Die Überlagerung der Indizierdaten mit der entsprechenden

akustischen Aufnahme hat gezeigt, dass Druckanstiege größer als 12 bar/°KW deutlich als „Knaller“ hörbar sind.

glühtEmpEratur als applikatiOnsparamEtEr

Der positive Einfluss hoher Glühtempera-turen auf die Verbrennungsstabilität und der Wunsch nach kurzen Aufheizzeiten sind Hintergrund für die Weiterentwick-lung von Glühsystemen. In der dritten Generation werden Keramikkerzen ver-wendet, deren Ansteuerung einen neuen Freiheitsgrad in der Dieselapplikation bil-det. Ihr Einsatzbereich erstreckt sich vom Kaltstarthilfsmittel bis zur Emissionsmin-derung. Dabei stehen den unterschiedli-chen Temperatur-Anforderungsprofilen Glühkerzenlebensdauer und Energiebedarf gegenüber [3]. Es lohnt sich also, den Ein-fluss der Glühtemperatur zu kennen, um die Glühstrategie zu optimieren.

IAV hat dafür einen Versuchsstand ent-wickelt, mit dem die Temperatur an der Glühspitze von einem Pyrometer punkt-genau gemessen wird, Titelbild). Eine computergestützte Einheit übernimmt sowohl die Messdatenerfassung als auch die Bestromung der Glühkerze. Letztere

wird als Analog- oder PWM-Signal vorge-geben und kann zum Beispiel aus einem zuvor gemessenen realen Kaltstart impor-tiert werden. Inwieweit die gemessene Temperatur der Realität entspricht, hängt davon ab, wie genau der Emissionsgrad des Glühkörpers bekannt ist und die Umgebungsbedingungen nachgebildet wer-den. Eine noch nicht realisierte Herausfor-derung ist dabei die Simulation des Gaswechsels.

5 zeigt in einer Messreihe den Einfluss der Glühtemperatur auf die Verbrennungs-stabilität während des Kaltleerlaufs. Bei einem Vierzylinder-Motor der 2-l-Klasse mit Euro-5-Abstimmung und einem Ver-dichtungsverhältnis von 16 ist die Glüh-kerzenansteuerung variiert und mit 2 kHz abgetastet worden, um im Postprozess die PWM-Parameter zu generieren. Diese als Eingangsgrößen verwendet, lassen sich am beschriebenen Glühkerzenprüfstand den verschiedenen Leistungsstufen Temperatur-verläufe zuordnen.

Die dargestellten Temperaturverläufe (T

GSK) unterteilen sich in die vier Phasen: Aufheizen (Pushen), Vorglühen, Start-glühen und Nachglühen, wobei die zuge-führte Leistung in der Vor- und Nachglüh-phase reduziert wurde. Niedrigere Glüh-

4 Zusammenführung von Steuergerätedaten und Indizierdaten (IAV Indicar) zur Detailanalyse

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DO

I: 10

.136

5/s3

5146

-012

-022

8-2

temperaturen während des Startvorgangs führten zu kontinuierlicher Verschlechte-rung in den Startzeiten. In der Nachglüh-phase stellte sich nach Zuschalten des Generators ein gemitteltes Temperatur-niveau von 1350 °C ein, welches in wei-teren Starts bis auf 1045 °C abgesenkt wurde. Die dadurch bis zu 5° KW verzö-gerte Verbrennung lässt sich anhand des 50-%-Energieumsetzpunkts (alpha q50) erkennen. Dessen zunehmende Streuung bis hin zu Verbrennungsaussetzern (indi-zierter Zylindermitteldruck Pmi = 0) machen sich in einer erhöhten Drehzahl-schwankung im Leerlauf bemerkbar.

Die Grafik zeigt am Beispiel von Zylin-der 1 und 3 auch die Streuung unter den Glühkerzen gleichen Typs bezüglich ihrer Temperatur (circa 35 K), die sich in leicht verschobenen Verbrennungsschwerpunk-

ten wiederspiegelt. So ist mit Hilfe dieses Glühkerzenprüfstands als Alternative zu Messglühkerzen mit Thermoelementen auch die Bestimmung von Toleranzmus-tern und deren Einfluss auf die Verbren-nung möglich.

zusammEnFassung

Durch Reduzierung der Konditionierzeit konnte die Messfrequenz im Kaltstartver-such erhöht werden. Die Reproduzierbar-keit der Tests und die Analyse der mit der Testanzahl steigenden Datenmenge wur-den durch Einsatz von Automatisierungs-software verbessert. Die Entwicklungsdauer kann so verkürzt beziehungsweise effizien-ter genutzt werden. Diese Methoden wer-den bei Fahrzeugmessungen weiter ausge-baut. Die Bestimmung der Glühtemperatur

als zusätzliches Applikationstool schafft Optimierungspotenzial in der Kaltstart appli-kation, wobei das Ansteuerprofil von Kera-mikglühkerzen besonders im Fokus steht.

litEraturhinwEisE[1] Graf, M.: Diesel Kaltlauf. Aachen, rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, FVV- Abschlussbericht Heft 920-2010[2] Lewis, A.; Brace, C. J.; Cox, A.: The Effect of Forced Cool Down on Cold Start Test repeatability. university of Bath, SAE Paper 2009-01-1976[3] Ketteler, H. B.; Ernst, S.; Dreßler, W.: Vom Kaltstarthilfsmittel zum adaptiven Glühsystem. In: MTZ 69 (2008), Nr. 7-8, S. 592-596

5 Einfluss der Glühtemperatur auf die Verbrennungsstabilität

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