Gemischbildung in Ottomotoren mit
Direkteinspritzung
Ein Themenfeld des Sonderforschungsbereichs „Instationäre
Verbrennung: Transportmechanismen, chemische Reaktionen, technische Systeme“
sind instationäre Einspritzstrahlen. Instationäre Einspritzstrahlen sind
wesentlicher Bestandteil von Verbrennungsmotoren mit direkter
Kraftstoffeinspritzung. Verbrennungsmotoren werden trotz der Entwicklung
alternativer Antriebe in den nächsten 25 bis 50 Jahren weiterhin als
Hauptantrieb für den Individualverkehr eingesetzt. Bei den Ottomotoren mit
Benzin-Direkteinspritzung wird eine hohe Verbrauchs- und Emissionsreduzierung
erwartet. Erste auf dem Markt befindliche Ottomotoren mit Direkteinspritzung,
die als wandgeführte Verfahren ausgeführt sind, können jedoch das
Einsparpotential der Direkteinspritzung im Kraftstoffverbrauch bei weitem noch
nicht nutzen. Strahlgeführte Verfahren weisen ein erheblich höheres
Einsparpotential auf und sind daher für die längerfristige Zukunft klar
favorisiert. Als eine Hauptschwierigkeit wird beim strahlgeführten Verfahren
die Realisierung einer stabilen und reproduzierbaren Ladungsschichtung mit
hohem Schichtungsgrad und hoher Zündstabilität angesehen. Verkokungen an der
Einspritzdüse, welche die Charakteristik des Einspritzstrahls empfindlich
beeinflussen, aber auch Verkokungen an der Zündkerze können zu Fehlzündungen
führen und damit die Laufstabilität deutlich mindern. Unzureichende
Gemischbildung infolge der kurzen Zeitspanne für die Gemischbildung,
insbesondere bei Teillast mit Gemischschichtung, verursacht zudem erhöhte
Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Rußpartikel.
In diesem Teilprojekt sollen die Vorgänge der Gemischbildung
bei Benzin-Direkteinspritzung mit strahlgeführtem Brennverfahren grundlegend
untersucht werden. Dabei werden die Teilvorgänge Kraftstoffeinspritzung und
-strahlausbreitung, Kraftstoffverdampfung, Durchmischung von Luft und
Kraftstoff und Ladungstransport zur Zündkerze detailliert betrachtet. Zur
Erfassung der Einzelvorgänge Einspritzung, Gemischbildung und Verbrennung
werden spezielle und neuartige Meßmethoden eingesetzt, durch die das
erforderliche tiefgreifende Verständnis über die transienten Vorgänge bei der
Gemischbildung und der Verbrennung gewonnen wird.
Die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen
Einspritzparametern und den motorischen Betriebsbedingungen sowie motorischen
Konstruktionsparametern soll ausführlich und grundlegend untersucht werden mit
dem Ziel, bei allen im Motorbetriebsbereich vorliegenden unterschiedlichen
Ladungszuständen im Brennraum eine stabile Verbrennung bei gleichzeitig
niedrigem Kraftstoffverbrauch und geringen Schadstoffemissionen zu realisieren.
Hierzu werden zunächst in einer Druckkammer Untersuchungen zur
Einspritzstrahlcharakteristik durchgeführt. Dabei werden die Parameter
Einspritzdruck, Gegendruck und Lufttemperatur variiert. Aufbauend werden die
Untersuchungen auf ein Einhubtriebwerk (bewegter Kolben) ausgeweitet. Dabei
wird zusätzlich der Einfluß von Einlaß- und Zylinderinnenströmung auf die
Gemischbildung untersucht. Die Überprüfung der Gemischqualität wird mit einem
zeitlich schnell taktenden Gasentnahmeventil durchgeführt. Zur Realisierung
einer hohen Zündstabilität soll die Brennraumgeometrie (und damit die
Zylinderinnenströmung) sowie die gegenseitige Lage von Einspritzdüse und
Zündkerze im Hinblick auf günstige Gemischbildung und Verbrennungsablauf
optimiert werden. Die Analyse der Verbrennung erfolgt sowohl mittels
Druckindizierung als auch mit einem neuartigen Lichtleiter-Visualisierungssystem.
Mit diesen grundlegenden Untersuchungen in der
Einspritzkammer und im Einhubtriebwerk soll ein Basisbrennraum gefunden werden,
der anschließend in einem Einzylinder-Motor realisiert werden soll. Ziel der
weiteren Untersuchungen ist es dann, mit den am Einhubtriebwerk gewonnenen
Erkenntnissen bei realen Motorbetriebsbedingungen in weiten Bereichen des
Kennfeldes eine stabile Verbrennung mit geringem Verbrauch und geringen HC- und
Rußemissionen zu erhalten.
In den folgenden Projektphasen sollen danach die
Zusammenhänge bei deutlich höheren Einspritzdrücken, die erheblich über den
heute möglichen Einspritzdrücken liegen, sowohl für den hier ermittelten
Basisbrennraum als auch für neue Brennraumvarianten untersucht werden. Die dann
vorgesehenen Einspritzdrücke sind mit heutiger Einspritztechnik noch nicht
erreichbar, dürften aber aus heutiger Sicht in einigen Jahren entwickelt worden
sein (u. a. auch durch Arbeiten im SFB „Hochbeanspruchte Gleit-und
Friktionssysteme auf Basis ingenieurkeramischer Werkstoffe“).
Das Teilprojekt C3 ist eng mit mehreren anderen Teilprojekten
verknüpft. Zur Realisierung einer stabilen und schadstoffarmen Verbrennung ist
die Gemischbildung von großer Bedeutung. Die Gemischbildung beeinflussende
Phänomene (Wärmeübergang an Oberflächen, Sprühstrahl/Wand-Interaktionen) werden
in den Teilprojekten A8, B3 und B4 behandelt. Die Untersuchung von Vorgängen
bei der Zündung und die Flammenausbreitung sind weiterhin auch Gegenstand in
den Teilprojekten A3, B2 und B5. Das Problem der Rußbildung infolge
unvollständig verdampften Kraftstoffs wird grundlegend in den Teilprojekten B1
und C4 untersucht.
