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.

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

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