Massspectrometric method to characterize the oil evaporation in the combustion chamber of spark-ignition engines

Die Emission von Kohlenwasserstoffen aus KFZ-Motoren ist dank der Optimierung des Verbrennungsprozesses so gering, dass jetzt der Ölemission eine größere Bedeutung zukommt. Das Schmieröl wird von den Kolbenringen als dünner Film auf die Zylinderwand aufgetragen. Die hochdynamischen Druck- und Temperaturänderungen im Zylinder bewirken, dass ein Teil des Öls verdampft und zusammen mit dem Abgas den Motor verlässt. Die Charakterisierung dieses Prozesses erfordert ein zeitlich hoch aufgelöstes Messverfahren,bei dem zwischen Öl und Kraftstoff unterschieden werden kann. Ausgehend von einem schnellen massenspektrometrischen System zur Bestimmung des Schmieröls im Abgas wird hier die Messung der Ölkonzentration direkt im Brennraum durchgeführt. Der Gastransfer durch eine Kapillare in das Vakuum des Analysators wird durch die starken Druck- und Temperaturgradienten des Verbrennungsprozesses gestört. Als Folge der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Druck und Gas kann es zur Überlagerung mit Druckwellen, zur Umkehr der Strömungsrichtung und als Folge davon zur Verfälschung der zeitlichen Zuordnung der Messsignale kommen. Diese Phänomene sind mithilfe von Messungen untersucht und mit strömungsmechanischen Berechnungen des vollständigen Gaspfades simuliert worden. Als Ergebnis ist ein spezielles Einlasssystem mit vier Druckstufen und optimiertem kontinuierlichen Gastransport entwickelt worden. Die Korrektur der zeitlichen Zuordnung der Messsignale wird mit einem neu entwickelten Verfahren mithilfe eines genetischen Algorithmus auf Basis von Messdaten und einem Verbrennungsmodell durchgeführt. Damit können zum einen der Öldampf im Brennraum sowie zum anderen die Reaktionspartner und -produkte der Verbrennung mit einer Anstiegszeit von 2,5 ms im gesamten Kennfeld eines Ottomotors gemessen werden. Zur Validierung des neuen Messverfahrens werden die Ergebnisse der Ölemission im Abgaskrümmer mit den integralen Ergebnissen der Brennraummessung verglichen, wobei sich ähnliche Abhängigkeiten von Drehzahl, Drehmoment und Kühlwassertemperatur ergeben. Durch die zeitlich hoch aufgelöste Messung werden die maßgeblichen Beiträge zur Ölemission in der Expansions- und Ausschiebephase ermittelt. Das wird tendenziell durch parallel durchgeführte Ölverbrauchs-Simulationsberechnungen bestätigt. Mit dem neuen Messsystem lassen sich die Entstehungsmechanismen der Ölemission genauer beobachten. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen zum einen zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit in die Programmierung von Simulationssoftware ein, zum anderen werden sie zur gezielten Entwicklung von Motoren und Schmierölen und damit zur Minimierung der Ölemission genutzt.To reduce engine emissions caused by evaporation of oil, the investigation of this process in the combustion chamber is necessary. In order to understand the mechanisms of oil emission, the gas composition has to be monitored online for each combustion cycle. A mass spectrometer equipped with a new direct inlet-system optimised by computational fluid dynamics enables crank angle resolved monitoring with a rise time of 2.5 ms over the full speed-/torque-range of a spark-ignition engine. The allocation of the measurement data to the crank angle is calculated by a new software program based on a genetic algorithm using CO2 measurements and a model of the combustion process