Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Optimierung der Entflammung von mageren Gemischen bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung

Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen, Bd. 1/2006

Maurice Kettner

ISBN 978-3-8325-1411-2
160 Seiten, Erscheinungsjahr: 2006
Preis: 40.50 €

Die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Einhaltung bestehender und zukünftiger Schadstoffgrenzwerte ist derzeit das primäre Ziel bei der Entwicklung von Ottomotoren. Der geringe Schadstoffausstoß von Ottomotoren mit Dreiwege-Katalysator geht aufgrund der stöchiometrischen Verbrennung mit einem vergleichsweise hohen Kraftstoffverbrauch einher. Die Direkteinspritzung mit Ladungsschichtung bietet ein sehr großes Potenzial hinsichtlich einer Verbrauchsverminderung, die Reduktion der NOx-Emissionen im mageren Abgas stellt jedoch derzeit ein schwer beherrschbares Problem dar. Vor diesem Hintergrund stellt das BPI-Verfahren (Bowl-Prechamber-Ignition) eine Möglichkeit dar, durch eine hauptsächlich homogen magere Verbrennung niedrige NOx-Emissionen mit einem niedrigen Kraftstoffverbrauch zu kombinieren.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Untersuchung dieses BPI-Verfahrens. Dabei wird ein homogen mageres Grundgemisch durch eine Saughubeinspritzung erzeugt. Eine zweite direkte Einspritzung im Kompressionshub platziert eine minimale Kraftstoffmenge am Zündort und gewährleistet damit optimale Zündbedingungen. Nach der Zündung in einer Vorkammerzündkerze erfolgt durch den Austritt von Fackelstrahlen ein schneller Umsatz des mageren Grundgemisches im Hauptbrennraum.

Im Rahmen der Promotion wurde das BPI-Verfahren an ein Einzylinder-Forschungsaggregat adaptiert. Durch motorische Untersuchungen wurde das Potenzial des Verfahrens hinsichtlich Verbrennungsstabilität, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen im Teillastbetrieb bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass bei einer homogen mageren Hauptverbrennung bei hohem Teillast-Wirkungsgrad eine geringe NO-Emission erreicht werden kann. Wandfilmuntersuchungen haben gezeigt, dass durch die gezielt eingespritzte Minimalmenge im Kompressionshub die Wandbenetzung durch Kraftstoff auf dem Kolben vernachlässigbar ist. Mit der Gemischanreicherung durch eine geringe Kraftstoffmenge an der Zündstelle wird eine zuverlässige Entflammung erreicht, die insbesondere eine je nach Zielsetzung angepasste Optimierung der Hauptverbrennung erlaubt. Die Magerlaufgrenze des Motors konnte von Lambda = 1,3 im Homogenbetrieb auf Lambda = 1,7 im BPI-Betrieb erweitert werden, wobei das Verbrauchsminimum zwischen Lambda = 1,4 und Lambda = 1,6 liegt. Beim Betriebspunkt pmi = 3 bar und n = 2000 1/min sinkt bei Lambda = 1,6 der Kraftstoffverbrauch gegenüber dem stöchiometrischen Motorbetrieb um ca. 10 % bei einer NO-Reduktion von ca. 70 %. Zusätzlich wurden Methoden aufgezeigt, die NO-Emissionen beispielsweise durch Optimierung der Gemischzusammensetzung an der Zündstelle, der Optimierung der Vorkammerzündkerzen sowie dem Einsatz der Abgasrückführung weiter zu reduzieren.

Durch Untersuchungen zur Gemischzusammensetzung in der Vorkammerzündkerze mit der kontinuierlichen Gasentnahme sowie der Ionenstrom- und Lichtleitermesstechnik konnte gezeigt werden, dass durch die Kleinstmengeneinspritzung im Kompressionshub eine deutliche Kraftstoffanreicherung an der Zündstelle erreicht wird. Diese kann über die Einspritzdauer im Kompressionshub in großen Bereichen variiert werden..

Durch numerische Simulation der Motorteilprozesse - Ladungsbewegung und Gemischbildung - sowie durch optische Untersuchungen zur Entflammung und Kraftstoffstrahlausbreitung konnten die grundlegenden Fragen zum BPI-Verfahren geklärt werden.Mit Untersuchungen bei Volllast konnte gezeigt werden, dass Vorkammerzündkerzen auch in diesem Kennfeldbereich einsetzbar sind. Glühzündungen können durch eine geeignete thermische Auslegung der Vorkammerzündkerze verhindert werden. Mit den verwendeten Vorkammerzündkerzen wurde im Saugbetrieb ein Leistungsverlust von ca. 1,5 % festgestellt. Die zyklischen Verbrennungsschwankungen sind mit der Vorkammerzündkerze deutlich geringer als mit der Hakenzündkerze..

Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass das neuartige Entflammungskonzept das Potenzial besitzt, magere Gemische sicher zu entflammen und schnell umzusetzen.