Forschung

Kraftstoff-Schmieröl-Interaktion – Fuel in Oil

Die Nacheinspritzung von Kraftstoff ist eine effiziente Maßnahme zur Regeneration der Abgasnachbehandlung von Dieselfahrzeugen. Dabei kann es jedoch zu einem Kraftstoffeintrag ins Schmieröl und somit zur unerwünschten Ölverdünnung kommen. Die Folge ist eine verminderte Schmierwirkung des Öls, die zu ernsthaften Motorschäden führen kann. Im FVV-Forschungscluster „Fuel in Oil“ wurde die Ölverdünnung experimentell und numerisch erforscht und quantifiziert. Im Fokus der Untersuchungen standen die Prozesse des Kraftstoffeintrags in den Schmierölwandfilm, des Öl-Kraftstoff-Transports durch die Kolbenringe und des Blow-bys in den Ölsumpf sowie die Änderung der Kraftstoff-Öl-Zusammensetzung im Kurbelgehäuse. Um die Erkenntnisse zu den verschiedenen Prozessen zusammenzuführen und praktisch nutzen zu können, sind alle Detailergebnisse in ein Simulationswerkzeug eingeflossen, das mithilfe vereinfachter physikalischer Modelle die Ölverdünnung hinreichend genau beschreibt.

» Das FVV-Forschungscluster ‚Fuel in Oil‘ liefert bahnbrechende Erkenntnisse über die Ölverdünnung in Verbrennungsmotoren. Die neuen Simulationswerkzeuge leisten einen wichtigen Beitrag zur optimierten Auslegung von Dieselmotoren. «
Dr. Marcus Gohl (APL Automobil-Prüftechnik Landau GmbH)

Motivation

In Verbrennungsmotoren kommt es durch den Eintrag von Kraftstoffen ins Schmieröl zur Ölverdünnung – ein äußerst unerwünschter Effekt. Daher ist ein detailliertes Verständnis der Zusammenhänge, die zur Ölverdünnung führen, essenziell. Zu diesem Zweck sollten Simulationswerkzeugen entwickelt werden, um in frühen Motorentwicklungsphasen die Ölverdünnung quantitativ vorherzuberechnen und den Einfluss verschiedener Parameter wie Motor- und Injektorgeometrie, Kraftstoffeinspritzstrategie und Lastkollektiv auf die Ölverdünnung realitätsnah abzuschätzen.

Methodik

Die komplexe Thematik wurde in die Teilbereiche Brennraum, Transport, Ölsumpf und Gesamtsimulation unterteilt. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Kraftstoff-Tropfen-/Spray-Interaktion mit dem Schmierölwandfilm. Hierzu wurde anhand von Grundlagenexperimenten und numerischer Simulationen eine Routine zur Modellierung der Tropfen-Film-Interaktion entwickelt. Sie bildete die Basis für 3-D-Computational-Fluid(CFD)-Simulationen zum Kraftstoffeintrag im Brennraum. Dieser Eintrag konnte durch das Messen von Schmierfilmkonzentration und -höhe im Brennraum erfasst werden.
Ein weiterer Schwerpunkt war die Erforschung des Kraftstoff- und Öltransports über die Kolbenringe vom Brennraum in das Kurbelgehäuse. Dazu dienten Messungen der Schmierfilmkonzentration und -dicke an mehreren Positionen an der Zylinderwand des Motors sowie Mehrkörpersystemberechnungen und 3-D-CFD-Simulationen.
Um die Phänomene im Ölsumpf zu untersuchen, wurden der Kraftstoffein- und austrag durch Online-Messungen der Kraftstoffkonzentration in der Ölwanne und der Kurbelgehäuseentlüftung ermittelt. Die Berechnung der Vorgänge im Kurbelgehäuse erfolgte mit 3-D-CFD-Simulationen.
Basierend auf den Simulationsergebnissen der Teilbereiche entstand eine modellbasierte Simulationsmethode zur Berechnung der gesamten Ölverdünnung.

Ergebnis

Das Projekt hat Methoden entwickelt, um die Phänomene der dieselmotorischen Ölverdünnung beschreiben. Das schließt die Beschreibung der Einspritzspray-Schmierfilm-Interaktion ebenso ein wie die der Interaktion von Kraftstofftropfen und dem Schmierfilm. Der Kraftstoff- und der Öltransport über die Kolbenringe wurden sowohl mit Kolbenringdynamik-Simulationen als auch mit ausführlichen CFD-Simulationen berechnet. Damit ist es möglich, den Massentransport (Blow-by), die Kolbenringdynamik, die Zwischenringdrücke und die Reibung (Flüssigkeits- und Mischreibung) zu betrachten. Mithilfe von CFD-Simulationen kann die Kurbelraumströmung inklusive Tropfenbewegung und Kraftstoffverdunstung abgebildet werden. Zur messtechnischen Untersuchung der Ölverdünnung steht eine Methode zur massenspektrometrischen Bestimmung der Kraftstoffkonzentration im Ölsumpf zur Verfügung. Alle Erkenntnisse sind in ein Simulationswerkzeug eingeflossen, das mithilfe vereinfachter physikalischer Modelle die einzelnen Phänomene der Ölverdünnung im Brennraum, im Kolbenringpacket und im Kurbelraum abbildet.
Aufbauend auf den Erkenntnissen zur Kraftstoff-Schmieröl-Interaktion beim Dieselmotor hat sich ein FVV-Folgevorhaben zum Ziel gesetzt, mögliche Ölquellen im Brennraum des direkteinspritzenden Ottomotors zu identifizieren und zu quantifizieren.

Dokumentation

Fuel in Oil - Gesamtübersicht | Erforschung der Kraftstoff-Schmieröl-Interaktionen, die zur Ölverdünnung bei der Partikelfilter / NOx-Speicherkatalysator-Regeneration führen | Vorhaben-Nr. 1084

Fuel in Oil II - Ölquellen im Brennraum bei Ottomotoren | Quantifizierung erhöhter Schmierölkonzentrationen an Kolben und Zylinderlaufbuchse, des damit verbundenen Ölaustrags und dessen Einfluss auf die ottomotorische Verbrennung | Vorhaben-Nr. 1225

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentliche Förderung und Eigenmittel

Fördersumme
3.200.000,00 EUR

Laufzeit
01.10.2011 bis 28.02.2015 Teil I
01.04.2016 bis 30.09.2018 Teil II

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V.

Bayenthalgürtel 23
50968 Köln
Deutschland

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) e. V.

Kennedyallee 40
53175 Bonn
Deutschland

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Deutschland

Industrie

Dr. Marcus Gohl
APL Automobil-Prüftechnik Landau GmbH

Forschungsstellen

1 | Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (vka) - RWTH Aachen | I + II

Wissenschaftliche Leitung:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger

2 | Institut für Analytische Messtechnik Hamburg - IAM-Hamburg e.V. | II

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Matz

3 | Institut für Messtechnik (UMT) - Technische Universität Hamburg | I

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Matz

4 | Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik (iaf) - Universität Kassel | I

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker

5 | Institut für Maschinenkonstruktion, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie (LMT) - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU) | I

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. habil. D. Bartel

6 | Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK), Fakultät für Maschinenwesen - Technische Universität München (TUM) | I

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister

Technische Universität München (TUM)

Lehrstuhl für Verbrennungskraft­maschinen (LVK)

Arcisstr. 21
80333 Garching
Deutschland

Universität Kassel

Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik (iaf)/Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie (MT)

Mönchebergstr. 7
34125 Kassel
Deutschland

Universität Stuttgart

Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt

Pfaffenwaldring 31
70569 Stuttgart
Deutschland

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH)

Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA)

Forckenbeckstr. 4
52074 Aachen
Deutschland

Technische Universität Hamburg (TUHH)

Institut für Messtechnik

Harburger Schloßstr. 20
21079 Hamburg
Deutschland

Technische Universität Hamburg (TUHH)

Institut für Analytische Messtechnik Hamburg - IAM-Hamburg e.V.

Peutestraße 53A
20539 Hamburg
Deutschland

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU)

Institut für Maschinenkonstruktion (IMK)/Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie (LMT)

Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
+49 (0) 69 6603 1349
+49 (0) 69 6603 2349

Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345