Steuerung der Selbstzündung bei Ottomotoren

Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen, Bd. 4/2006

Andreas Juretzka

ISBN 978-3-8325-1606-2
166 Seiten, Erscheinungsjahr: 2007
Preis: 40.50 €

Die Selbstzündung bei Ottomotoren, oder auch HCCI-Verbrennung (Homogeneous Charge Compression Ignition), stellt neben den bekannten Verbrennungsverfahren (Otto, Diesel) ein drittes eigenständiges Brennverfahren dar. Es basiert auf einer dezentralen Reaktionseinleitung und dem Vorhandensein mehrerer Verbrennungszentren im Brennraum und nicht auf einer deflagrativen Gemischumsetzung. Diese Art der Umsetzung einer thermischen Explosion ist aus den Grenzbereichen (Klopfen) der ottomotorischen Verbrennung bekannt.

Zum besseren Verständnis werden Analysen der bekannten otto- und dieselmotorischen Verbrennungsverfahren und die allgemeinen Zusammenhänge des alternativen Verbrennungskonzeptes vorangestell. Es werden die Mechanismen der Selbstzündungsprozesse erläutert und Veröffentlichungen im Hinblick einer möglichen Steuerung der Selbstzündung ottomotorischer Kraftstoffe zusammengestellt. Zur experimentellen Verifizierung der Steuerkonzepte werden sowohl Voruntersuchungen an einem 2-Takt-Einzylindermotor als auch Untersuchungen an einem optischen Einzylinderaggregat durchgeführt.

Im Hauptteil der Dissertation wird die Steuerung der Selbstzundung unter realen ottomotorischen Randbedingungen bei einem relevanten Verdichtungsverhältnis von epsilon <= 12 dargestellt. Mit Hilfe neuer Technologien konnte erstmalig der Beweis antreten werden, die Kompressionszündung als alternatives Brennverfahren zu den heute üblichen 4-Takt-Konzepten (Otto, Diesel) zu betreiben.

Für die motorischen Untersuchungen wurde ein für die Praxis relevantes System für einen 4-Takt-Motor entwickelt und Potentiale sowie Steuerungsstrategien für das Selbstzündungs- und Verbrennungsverhalten der HCCI aufgezeigt. Das Ziel war, die Nachteile einer homogenen Selbstzündung durch Einbringen von gesteuerten Inhomogenitäten zu eliminieren, aber dennoch die Vorteile nutzbar zu machen (HCCI --> CAI (Controlled Auto Ignition) --> ICCI (Inhomogeneous Charge Compression Ignition).

Das Konzept einer Zyklen-gesteuerten Abgasrückhaltung, kombiniert mit einer zu jedem Zeitpunkt variablen Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, sind wesentliche Voraussetzungen zur Kontrolle der Selbstzündung. Im Vordergrund standen die Trennung der Reaktionseinleitung und des Reaktionsverlaufs und zielen auf die Grenzbereiche der Verbrennung. Unter Verwendung von handelsüblichem Kraftstoff (ROZ=98), konnte die Kompressionszündung in einigen stationären Kennfeldpunkten betrieben werden und einen Betriebsbereich zeigen, der den Teillastbereich weitestgehend abdeckt.

Gegenüber der ottomotorischen Basis konnte eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches und eine drastische Reduktion der NO_x-Emission nachgewiesen werden. Als obere Lastbegrenzung des Selbstzündungsbetriebes erwiesen sich steile Druckanstiege. Die untere Lastgrenze wurde durch einen Anstieg der HC und CO-Emissionen definiert und deutet auf eine instabile Verbrennung hin. Das Potential dieser alternativen Verbrennung wird bezüglich Wirkungsgraden und Emissionen gegenüber der ottomotorischen Verbrennung bewertet.

Abgeschlossen wird die Arbeit mit den für das HCCI-Verbrennungsverfahren ermittelten Kennfeldern bei einer Verdichtung von epsilon=12.