Entwicklung einer Methodik zur Bestimmung der Vorentflammungsneigung von Kraftstoffen und Formulierung einer charakterisierenden Kennzahl

Abstract

Im Zuge der Bestrebungen der Automobilindustrie, den Kraftstoffverbrauch der Kraftfahrzeuge zu senken, hat sich das Downsizing als ein vielversprechendes Konzept erwiesen. Je nach Downsizing-Grad ist meistens eine Aufladung unumgänglich. Weiters wird stets nach Möglichkeiten gesucht, das Verdichtungsverhältnis des Ottomotors anzuheben, weil damit naturgemäß auch der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine steigt. Allerdings erhöht sich mit dem Verdichtungsverhältnis auch die Ladungstemperatur am Ende des Kompressionstaktes. Die hohen Arbeitsdrücke eines Downsizing-Motors können insbesondere in Verbindung mit hohen Brennraumtemperaturen verstärkt zu unregelmäßigen Verbrennungsabläufen führen. Hierbei kommt es zunächst zum weitbekannten Klopfen und bei einer weiteren Verschärfung der Bedingungen sogar zu Selbstzündungen, bei denen das Gemisch auch ohne den Zündfunken entflammt. Einerseits kann diesen Phänomenen durch motorische Maßnahmen begegnet werden, andererseits kommt dem Kraftstoff eine große Bedeutung in dieser Beziehung zu. Ziel dieser Arbeit war es, eine Methodik zur Bewertung der Selbstzündungsneigung unterschiedlicher Kraftstoffe zu entwickeln und die Parameter zu erforschen, die das Auftreten von Vorentflammungsphänomenen begünstigen. Das Verfahren sollte in Bezug auf Aufwand und benötigte Kraftstoffmenge den etablierten Verfahren für die Bestimmung von ROZ und MOZ ähnlich sein. Ein guter Ansatz wurde mit der Bewertung über den möglichen Aufladegrad, bevor es zu einer Selbstzündung kommt, getroffen. Um die Auswirkung der Temperatur auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kraftstoffs zu veranschaulichen, sollte die Kraftstoffbewertung weiters bei unterschiedlichen Saugrohrtemperaturniveaus erfolgen. Im Weiteren konzentrierte sich die Arbeit auf die Selbstzündung infolge zweistufiger Verbrennung. Der Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf diese Verbrennungsart und auf die damit zusammenhängende Selbstzündungsneigung wurde untersucht. Zum Schluss wurde eine Kennzahl für die Vorentflammungsneigung definiert und die möglichen Relationen zur Oktanzahl geprüft.

As a part of the efforts of the automotive industry to reduce the fuel consumption of motor vehicles, downsizing proves to be a promising concept. Depending on the degree of downsizing charging is inevitable. Furthermore, there is an attempt to raise the compression ratio of the SI-Engine, because it naturally also increases the efficiency of the internal combustion engine. However, with higher compression ratio the charge temperature at the end of the compression stroke also increases. The increased cylinder pressure of downsizing engines can lead to irregular combustion, especially when combined with high combustion chamber temperatures. In this case it comes to the widely known knocking and with further intensification of the burning chamber conditions even to spontaneous pre-ignitions, where the mixture inflames even without the spark. On one hand, these phenomena can be faced by engine modifications, on the other the fuel is of great importance. The aim of this study was to develop a methodology for assessing the pre-ignition tendency of different fuels and to explore the parameters that favour the occurrence of this phenomenon. In terms of effort and required amount of fuel, the process should be similar to the established method for the determination of RON and MON. The evaluation of the possible supercharging before it comes to a self-ignition proved to be an appropriate approach. In order to illustrate the effect of temperature on the physical and chemical properties of the fuel, the fuel evaluation should furthermore take place at different intake manifold temperatures. In addition, the work concentrated on the pre-ignition as a result of a two-stage combustion. The influence of the fuel composition on this combustion type and on the related self-ignition tendency was examined. Finally, a characteristic number for the pre-ignition tendency was defined and the possible relations to the octane number were tested.