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Konstruktion und Inbetriebnahme eines optisch zugänglichen Hochlast-Verbrennungsmotors mit zugehörigem Prüfstand

Barth, Philipp

Diese Dissertationschrift beschreibt die Entwicklung eines neuen optisch zugänglichen Verbrennungsmotors und dessen Prüfstandsumgebung. Dieser Forschungsmotor für kompressionsgezündete Brennverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass er trotz optischen Zugangs extrem hohe Mitteldrücke, Spitzendrücke und Druckanstiegsraten zulässt. Die Betriebsbedingungen dieses Hochlastmotors werden mit denen weltweit bereits ausgeführter Maschinen verglichen. Der beschriebene Motor nimmt im Zylinderspitzendruck, indizierten Mitteldruck und maximalen Kraftstoffdruck eine Spitzenposition ein und erweitert dadurch die Möglichkeiten optischer Messtechniken. Die Konstruktion und Berechnung besonders wichtiger Motorbauteile werden beschrieben. Der „Bowditch“-Kolben und die optischen Zugänge sind für einen Zylinderspitzendruck von 200 bar ausgelegt. Die transparenten Komponenten sind aufgrund der besseren UV-Transmission gegenüber Saphir aus synthetischem Quarzglas hergestellt. Die geringere Festigkeit des synthetischen Quarzglases wird durch konstruktive Maßnahmen ausgeglichen. Seitlicher optischer Zugang zum obersten Teil des Zylinders wird über einen wassergekühlten Fensterträger realisiert. Die für den Hochlastbetrieb benötigten Randbedingungen, wie z.B. hohe Aufladung und hoher Kraftstoffdruck, werden durch den zugehörigen Prüfstand bereitgestellt. Die Mechanik des Prüfstandes ist zweiseitig ausgeführt, um später den hier konstruierten optischen Motor mit einem motorengeometrisch gleichen Vollmetallmotor ergänzen zu können. Die Lastmaschine ist robust und wirtschaftlich als handelsübliche phasenanschnittsgesteuerte Drehstrommaschine eingekauft. Die gesamte Prüfstandsdatenerfassung und -steuerung wird mit in Labview erstellter Software bei Taktungsraten von bis zu mehreren kHz durchgeführt. Abschließend werden erste optische Messergebnisse im Betrieb als Dieselmotor vorgestellt. Ein Referenzbetriebspunkt wird bestimmt und dessen Einspritzung und Verbrennung durch Hochgeschwindigkeitsmessungen visualisiert. Die Einströmung wird durch Particle Image Velocimetry (PIV) in mehreren Ebenen unterhalb der Ventile bildgebend dargestellt und mit äquivalenten PIV Messungen von einer stationär durchströmten Fließbank verglichen. Schließlich werden Betriebspunkte mit sehr hohem indizierten Mitteldruck von über 16 bar und einem Zylinderspitzendruck von nahezu 140 bar vorgestellt.

This doctoral thesis describes the development of a new optically accessible internal combustion engine and the corresponding test cell. This instrument for research on compression-ignition engine operation is distinguished by enabling extremely high indicated mean effective pressure (IMEP), peak cylinder pressure, and pressure-rise rates despite extensive optical access. The design operating conditions of the engine are compared to those of existing engines worldwide. The new engine is leading in peak cylinder pressure, IMEP, and fuel injection pressure, expanding the possibilities of optical diagnostics. The design of key engine components is described. The “Bowditch”-style piston and the windows for optical access are designed for a peak cylinder pressure of 200 bar. All transparent components are made from fused silica because of its better UV transmission compared to sapphire. Suitable design features compensate for the lower mechanical strength. A water-cooled windowed spacer ring gives full lateral optical access to the top portion of the cylinder. The boundary conditions need to achieve very high engine loads, for example high intake and fuel pressure, are provided by the test bench environment. The test bench is dual-sided such that in the future the optical engine can be complemented with an all-metal engine of identical geometry. The dynamometer is a robust and cost-efficient three-phase electrical motor with accompanying power electronics and controls, all ordered off-the-shelf. The test bench’s data acquisition and control is performed by in-house Labview programs at kilohertz rates. In a concluding chapter, first optical measurements from Diesel engine operation are presented. A reference operating point is determined and in that point, fuel injection and combustion are visualized with high-speed imaging. The intake flow in several planes below the intake valves is imaged by particle image velocimetry (PIV) and compared to equivalent PIV measurements on a steady-state flow bench. Finally, operating conditions are examined that lead to 16 bar IMEP and a peak pressure of almost 140 bar, both of which are extremely high for optically accessible engines.

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Barth, Philipp: Konstruktion und Inbetriebnahme eines optisch zugänglichen Hochlast-Verbrennungsmotors mit zugehörigem Prüfstand. 2016.

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