Kompressionshubeinspritzung zur Klopfvermeidung beim Ottomotor mit Miller-Zyklus

Die nach dem Zündzeitpunkt auftretende Selbstzündung beim Ottomotor, das Klopfen, limitiert die Effizienz fremdgezündeter Brennverfahren in hohen Lastpunkten. Mit einer Hochdruckeinspritzung während des Verdichtungstakts wird in der vorliegenden Dissertationsschrift ein möglicher Ansatz zur Reduktion des Motorklopfens untersucht. Dabei werden Brennverfahren mit gesteigerter geometrischer Verdichtung und Miller-Zyklus fokussiert.

Zur Bewertung der Zylinderinnenströmung des Miller-Zyklus und anderer Einlasskonfigurationen wurde mit der Gasentladungsanemometrie eine Methode zur Messung der lokal an der Zündkerze vorherrschenden Strömung ausgearbeitet. Damit war es möglich sowohl die mittlere Strömung, als auch turbulente Schwankungsgeschwindigkeiten, unter Anwendung geeigneter statistischer Methoden, zu erfassen. Diese wurden zur am Prüfstand gemessenen Brenngeschwindigkeit und mit Ergebnissen einer 3D-CFD-Simulation abgeglichen.

Für die Hochdruckeinspritzung im Kompressionshub konnten verschiedene physikalische Phänomene aufgezeigt und erklärt werden. Um in den Messungen auftretende Zylinderdruckschwingungen zu differenzieren, wurde ein Klopfkriterium zur bestmöglichen Bewertung der Potentiale an der Klopfgrenze ausgearbeitet. Einlassseitig kamen ein Vollhub, zwei Miller-Nocken und eine Tumblekanaleinlage für höhere Tumblezahlen zur Anwendung. Es zeigte sich für die Hochdruckeinspritzung im Kompressionshub eine Unabhängigkeit der Brenngeschwindigkeit von der Einlassströmung. Für die Emissionen ergab sich in weiten Bereichen ebenfalls kaum ein Einfluss der Einlassströmung. Die Gemischbildung und die Turbulenz während der Verbrennung wurden weitestgehend von der Einspritzung bestimmt. Einzig der Zeitpunkt der Einspritzung während der Kompression hatte Einfluss auf Verbrennungs- und Emissionsgrößen.

Dabei konnten einzelne Einspritzzeitpunkte aufgrund der ungünstigen Sprayinteraktion mit dem Kolben als nachteilig ausgemacht werden. Für definierte Einspritzbereiche in der mittleren Phase des Verdichtungstakts war hingegen ein vorgemischtes, homogenes Brennverfahren möglich. Positiven Einfluss hatten dabei die gute Homogenisierung, eine erhöhte TKE und die verbesserte Gemischkühlung. Bei ganz späten Einspritzzeitpunkten kurz vor dem oberen Totpunkt wurde die stärkste Klopfreduktion nachgewiesen, welche auf eine reduzierte Verweilzeit des Kraftstoffs im Brennraum und eine zunehmende Ladungsschichtung zurückzuführen ist. Letzteres führte allerdings zu stark steigenden CO- und Partikelemissionen, wodurch auch keine Verbesserung des indizierten Kraftstoffverbrauchs möglich war.

Für eine gesteigerte geometrische Verdichtung von 14:1 und einen Miller-Zyklus wurden zwei verschiedene Brennverfahrensansätze aus den gewonnenen Erkenntnissen vorgestellt. Ein stöchiometrisches, homogenes Brennverfahren mit einer Einspritzung in der mittleren Phase der Kompression. Dabei waren deutliche Wirkungsradvorteile in der Teillast gegenüber einer Standardkonfiguration möglich. Die maximale Motorlast konnte trotz einer Verdichtungssteigerung um drei Einheiten mit nahezu demselben Verbrennungsschwerpunkt eingestellt werden. In einem weiteren Schritt wurde ein heterogenes Magerbrennverfahren für einen begrenzten Kennfeldbereich ausgearbeitet. Dieses ermöglicht eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads. Mit zusätzlicher externer gekühlter Abgasrückführung konnten zudem die NOX-Emissionen für diesen überstöchiometrischen Betrieb reduziert werden.