Untersuchung der Ursachen für Kohlenwasserstoffemissionen beim Ottomotor mit homogener Selbstzündung (HCCI)

Abstract

Ein Motor mit geringem Kraftstoffverbrauch und somit auch geringem Kohlenstoffdioxidausstoß, der die zukünftigen gesetzlichen Abgasvorschriften erfüllt und zum Fahrspaß des Kunden beiträgt, ist das Ziel der Forschung- und Entwicklungsarbeiten auf dem Motorensektor. Das im Forschungsstadium befindliche alternative Brennverfahren "Homogeneous Charge Compression Ignition" (HCCI) verspricht beim Ottomotor gute Verbrauchswerte bei geringen Stickoxidrohemissionen. Als gesetzlich begrenzte Abgasemissionen verbleiben bei diesem Brennverfahren zumeist erhöhte Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen. Um die Kohlenwasserstoffemissionen weiter reduzieren zu können, ist das Ziel dieser Arbeit, das Verständnis über die Ursachen und Quellen der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren mit Ottokraftstoff zu erweitern.<br />Nach der Beschreibung des HCCI Brennverfahrens werden zunächst die bekannten Kohlenwasserstoffquellen bei konventionellen Ottoverfahren geschildert und die bisherigen Erkenntnisse bezüglich Ursachen der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren aufgelistet. Es wird angenommen, dass viele vom konventionellen Ottomotor bekannten Ursachen für die Kohlenwasserstoffemissionen auch beim HCCI Brennverfahren gelten. Aus diesem Grund konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Verbrennung und die Gemischbildung, da hier die größten Unterschiede in den Brennverfahren vorliegen.<br />Zur Durchführung der Experimente wird ein moderner 1,6 l Serienmotor mit Direkteinspritzung der Volkswagen AG verwendet, der im Ventiltrieb für den HCCI Betrieb modifiziert ist. Ein schneller Flammenionisationsdetektor, "Kohärente anti-Stokes Raman Spektroskopie" Lasermesstechnik mit optisch zugänglichem Motor zur Messung der Ladungstemperatur und kurbelwinkelaufgelöste Verbrennungsaufnahmen ergänzen die Standardmesstechnik. Die Analyse der Messungen wird durch eindimensionale und dreidimensionale Strömungsberechnungen unterstützt.<br />Der Einfluss der Verbrennung auf die Kohlenwasserstoffemissionen wird anhand einzelner Variationen von Motorstellgrößen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Hauptquelle für Kohlenwasserstoffemissionen die reaktionsfreie Grenzschicht an der Brennraumwand ist, die von der Verbrennungslage abhängt. Dabei ist die zum Erreichen der Verbrennungslage verwendete Motorstellgröße von untergeordneter Bedeutung.<br />Die Untersuchung verschiedener Kolbenvarianten zeigt, dass die Spalträume, insbesondere der Kolbenfeuersteg, wie bei konventionellen Ottobrennverfahren einen großen Anteil an den Kohlenwasserstoffemissionen verursachen. Die direkte Kolbenbenetzung durch den Kraftstoffstrahl führt mit der Zeit zur Bildung einer Rußschicht auf dem Kolben und somit einem erhöhten Anstieg der Kohlenwasserstoffemissionen. Die Realisierung einer zusätzlichen Hochdrucksaugrohreinspritzung erlaubte einen größeren Einfluss auf die Gemischbildung zu nehmen, um z.B. die direkte Brennraumwandbenetzung zu vermeiden. Ein Einfluss dieser Maßnahmen auf die Kohlenwasserstoffemissionen konnte nicht festgestellt werden, so dass die Aufbereitungsbedingungen im Brennraum als ausschlaggebend angesehen werden.<br />Zur Reduktion der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren eignen sich viele der beim konventionellen Ottomotor bekannten Maßnahmen wie Reduzierung des Feuerstegvolumens oder Vermeidung von Brennraumwandablagerungen (z.B. Rußschicht auf dem Kolben). Für die Kohlenwasserstoffemissionen speziell beim HCCI Brennverfahren ist die Verbrennungslage von Bedeutung. Denn unabhängig von der Stellgröße kann das Niveau der Kohlenwasserstoffemissionen unter Voraussetzung eines sinnvollen Betriebs mit der Verbrennungslage beeinflusst werden. Somit sind beim HCCI Brennverfahren zur Abstimmung der optimalen Verbrennungslage neben Verbrauch, Drehmoment und Komfort die Kohlenwasserstoffemissionen zu berücksichtigen.<br />

The main aim of research and development in the field of internal combustion engine is to create an engine with low fuel consumption and hence low carbon dioxide emissions to meet future emissions regulations as well as providing a good driving experience.<br />Homogeneous charge compression ignition (HCCI) is an alternative combustion process being currently developed that promises a good fuel consumption rate and low nitrogen oxide emissions for the gasoline engine. The only legally restricted exhaust gas emissions for this combustion process are carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC). The aim of this research was a better understanding of the causes and sources of hydrocarbon emissions with HCCI using gasoline so as to further reduce hydrocarbon emissions.<br />A description of the HCCI combustion process is followed by a list of the known sources of hydrocarbon emission in conventional gasoline engines and current knowledge of the causes of hydrocarbon emission with HCCI. It is assumed that many of the known causes of hydrocarbon emissions in the conventional gasoline combustion process are the same for HCCI. For this reason, this study focused on combustion and carburation, which is where the combustion processes differ the most.<br />The trials used an advanced Volkswagen AG (VW Inc.) 1.6 l series engine with direct injection whose valve train was modified for HCCI. The standard measurement method was complemented by a fast flame ionisation detector, a coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS) laser measurement and high-speed imaging technique. For the last two methods an engine with optical access to the combustion chamber was used. Data analysis was also supported by one-dimensional and three-dimensional computational fluid dynamics.<br />The influence of combustion on hydrocarbon emission was determined by varying one engine parameter at a time. The results showed that the main source of hydrocarbon emissions is the inert boundary layer of gas which is next to the wall of the combustion chamber. This inert layer is particularly affected by the timing of combustion, where the parameter needed for achieving this timing is of minor importance.<br />Examination of different piston types shows that the crevices, particularly the piston top land, cause much of the hydrocarbon emissions (as they do with conventional gasoline combustion). Directing the fuel spray onto the piston caused the formation of a sooty layer on the piston surface and hence increased hydrocarbon emissions.<br />Introducing an additional high-pressure multi-point injection allowed greater influence on fuel-mixture generation and prevented the fuel from making direct contact with the wall of the combustion chamber. The high-pressure multi-point injection was not found to influence hydrocarbon emissions, so that conditions in the combustion chamber itself are considered to be decisive. Conditions outside of the combustion chamber are of less importance for the fuel-mixture generation.<br />A reduction of the hydrocarbon emissions with HCCI can be achieved using largely the same measures as those for the conventional gasoline engine such as reducing top land volume and preventing deposits on the wall of the combustion chamber (e.g., sooty layer on the piston surface). For HCCI, the timing of combustion is of particular importance regarding the emission of hydrocarbons. The level of hydrocarbon emissions is affected by the timing of combustion irrespective of the engine operating parameters (assuming that the engine is operated properly). Thus, the challenge for the engineer is to find the optimum timing of combustion for the best fuel consumption, torque, noise vibration harshness and with HCCI additionally for hydrocarbon emissions.