Untersuchung der Eigenschaften und Kontrollmöglichkeiten der homogen kompressionsgezündeten Verbrennung von Ottokraftstoff

Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen, Bd. 8/2004

Michael Günthner

ISBN 978-3-8325-0788-6
150 Seiten, Erscheinungsjahr: 2005
Preis: 40.50 €

Die Erfüllung verschärfter Abgasgrenzwerte bei weiterer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs stellt hohe Anforderungen an zukünftige Generationen von Verbrennungsmotoren. Ein besonders vielversprechendes Konzept zur gleichzeitigen Erfüllung beider Forderungen stellt die homogen kompressionsgezündete Verbrennung dar, die häufig mit dem Kürzel HCCI ("Homogenous Charge Compression Ignition") umschrieben wird. Bei diesem Brennverfahren wird eine weitgehend homogene Mischung aus Luft, Kraftstoff sowie ggf. zurückgeführten Verbrennungsprodukten bis zur Selbstentzündung verdichtet. Durch dezentrale Reaktionseinleitung ist es möglich, auch stark verdünnte, homogene Luft-Kraftstoff-Gemische vollständig zu verbrennen, die mit anderen Brennverfahren nicht umgesetzt werden können. Die wesentlich niedrigere Verbrennungstemperatur führt zu sehr geringen NOx-Rohemissionen.

Aufbauend auf einer systematischen Analyse des aktuellen Forschungsstandes wird deshalb in dieser Arbeit ein grundlegendes Konzept zur Herbeiführung und Steuerung der homogen kompressionsgezündeten Verbrennung von Ottokraftstoff entwickelt, das sich weitgehend auf die Verwendung großserientauglicher Motorkomponenten stützt. Das Konzept sieht eine starke Abgasrückhaltung vor, zusätzlich kommt in weiterführenden Baustufen eine direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum zur Kontrolle der Verbrennungslage zum Einsatz. Neben einer umfangreichen thermodynamischen Analyse der Eigenschaften der homogen kompressionsgezündeten Verbrennung wurden weiterführende Untersuchungen mit Sondermesstechnik (schnelle Gasentnahme, Vielfach-Lichtleiter-Visualisierung, Ionenstrommessung) sowie numerische Simulationsrechnungen zu Ladungswechsel und Gemischbildung durchgeführt.

Die Untersuchungen zeigen, dass mit einer kombinierten Restgas- und Einspritzstrategie eine gezielte Kontrolle des homogen kompressionsgezündeten Brennverfahrens möglich ist. Durch die HCCI-Verbrennung konnte im Vergleich zum konventionellen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung eine deutliche Verbrauchsabsenkung bei gleichzeitig extrem geringen NO- und CO- sowie nur geringfügig erhöhten HC-Emissionen dargestellt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass durch Ionenstromessung ein Signal zur Bewertung der Verbrennungslage gewonnen werden kann, das bei Anwendung geeigneter Auswerteroutinen eine mit wesentlich aufwendigeren Verfahren vergleichbare Qualität aufweist. Trotz der noch erforderlichen Weiterentwicklung zur Erweiterung des Betriebsbereiches und Absenkung des Verbrennungsgeräusches unterstreicht die sich hiermit ergebende Perspektive eines zukünftigen motorischen Brennverfahrens mit gleichzeitig extrem niedrigem Schadstoffausstoß und verringertem Kraftstoffverbrauch das große noch vorhandene Potenzial verbrennungsmotorischer Antriebe.