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TP - C3
Gemischbildung in Ottomotoren mit Direkteinspritzung

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher
Institut für Kolbenmaschinen (IfKM)
Universität Karlsruhe (TH)
Kaiserstr.12
76128 Karlsruhe
Telefon: +49(0)721 / 608-2430
Telefax: +49(0)721 / 608-8578
E-mail:

  
Ergebnisse des Teilprojekts Veröffentlichungen
  

Zusammenfassung

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.


  
Wissenschaftliche Mitarbeiter: 
Stefan Buri
Telefon: +49(0)721/608-2319
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