Innovative Zündsysteme für hochaufgeladene Downsizingmotoren

Abstract

Kurzfassung Downsizing stellt in Kombination mit Kraftstoffdirekteinspritzung, variablen Ventiltrieb, Aufladesystemen und regenerativen Biokraftstoffen eine effiziente Methode zur CO2-Emissionssenkung und Kraftstoffverbrauchseinsparung dar. Resultierend aus diesem derzeitigen Stand der Technik ergeben sich erhöhte Anforderungen an das Zündsystem, wie es beispielsweise durch eine höhere Gemischdichte und höheren Mitteldrücken der Fall ist. Im Zuge des FVV-CO2-Sonderforschungsprogrammes mit dem Projektcluster "Downsizing with Bio Fuels" sollen durch das Teilprojekt "Innovative Zündung" Zündsysteme, die selbst unter diesen verschärften Bedingungen einen optimalen Motorbetrieb gewährleisten, gefunden werden. Nach entsprechenden Voruntersuchungen am IFA der TU Wien, wurden fünf Zündsysteme mit dem größten Potenzial für die Untersuchungen an einem hochaufgeladenen Vierzylindermotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung ausgewählt.<br />Darunter befinden sich vier Funkenzündsysteme, bestehend aus dem Transistor-spulenzündsystem BOSCH-Power-Mini, dem Hochenergietransistorspulenzünd-system BOSCH-Power-Plus, dem Mehrfachfunkenzündsystem DELPHI, dem modulierbaren Gleichstromzündsystem ALTRONIC-DEIS und dem Corona-zündsystem BERU-Eccos. In den Teillastbetriebspunkten werden eine Variation der Luftzahl und eine Zündwinkelvariation durchgeführt. Das Coronazündsystem kann die größte Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Ladungsverdünnung aufweisen.<br />Die schnellste Verbrennungseinleitung und eine kurze Brenndauer sprechen ebenfalls für dieses Zündsystem. Das BOSCH-Power-Plus kann sich unter den Funkenzündsystemen, trotz der höheren Primärenergieaufnahme des ALTRONIC-DEIS, durchsetzen. Durch den Mehrfachfunkenmodus des DELPHI können keine zusätzlichen Vorteile im Homogenbetrieb erreicht werden.<br />Die Zündsysteme DELPHI, BOSCH-Power-Mini und ALTRONIC-DEIS liegen somit dicht zusammen und sind deutlich besser als das VW-Serienzündsystem, können aber das Potenzial des BOSCH-Power-Plus nicht erreichen. Die Volllasttauglichkeit wurde anhand einer Saugrohrdruckvariation ermittelt. Die thermische Belastung überschritt jedoch bereits bei einem indizierten Mitteldruck von ca. 20 bar den Grenzbereich des Coronazünders, wodurch Glühzündungen verursacht wurden. In dieser vorhandenen Ausführung kann das Coronazündsystem BERU-Eccos deshalb nicht als volllasttauglich eingestuft werden.<br />Die Funkenzündsysteme können den Anforderungen in der Volllast gerecht werden, und den erforderlichen Sekundärspannungsbedarf von 35 kV, bei einem Zylinder-druck im Zündzeitpunkt von 50 bar zur Verfügung stellen.<br />Auf Grund sehr geringer Unterschiede in den Verbrennungsparametern, war es in der Volllast nicht möglich, eine Klassifizierung der Zündsysteme zu treffen.<br />An Hand der gesamten Untersuchungserkenntnisse am Vollmotor kann das BOSCH- Power-Plus als aussichtsvollstes Zündsystem, für den Einsatz in hochaufgeladene Downsizingmotoren, ausgewählt werden. Sollte die nächste Generation des Coronazünders in der Lage sein den Beanspruchungen der Volllast standzuhalten, wird durch dieses Zündsystem eine weitere Option geboten.<br />

Abstract Downsizing provides, in combination with direct injection, supercharging systems, variable valve train and regenerative biofuels an efficient method to optimize fuel consumption and CO2 emissions. As a result of the current stage of technology intensified requirements on the ignition system are given, for example due to higher gas density and higher indicated mean effective pressure. The subproject "Innovative Ignition" is part of the FVV-CO2-Research Program project cluster "Downsizing Bio Fuels". Within the framework of this subproject appropriate ignition systems should be found.<br />Preliminary investigations carried out by the IFA TU Vienna define a preselection of the most potential ignition systems to be tested on a highly supercharged four cylinder downsized engine with gasoline direct injection. These are four spark ignition systems including the transistor coil ignition system BOSCH-Power-Mini, the high energy transistor coil ignition system BOSCH-Power-Plus, the multiple spark ignition system DELPHI, the ALTRONIC-DEIS with modulated burn current and the corona ignition system BERU-Eccos. A variation of the air fuel ratio and of the ignition point carried out at part load operation. The corona ignition system revealed convincing results in terms of charge dilution, short combustion duration and short ignition delay. The BOSCH-Power-Plus is able to deliver the best performance in spite of a higher absorption of primary energy of the ALTRONIC-DEIS. The multiple spark ignition system DELPHI did not show additional advantages at homogeneous engine operating.<br />The ignition systems DELPHI, BOSCH-Power-Mini, ALTRONIC-DEIS are close together and are significantly better than the VW-series ignition system, which is not competitive in the part load. A variation of manifold pressure determined the full load capability of the ignition systems. The thermal load exceeded the limits of the corona igniter already at 20 bar indicated mean effective pressure, and resulting in glow ignitions. Therefore the corona ignition system cannot be classified as suitable for full load. All spark ignition systems, withstood the requirement at fullload. They are able to provide the necessary secondary voltage of 35 kV for a cylinderpressure of aproxx.<br />50 bar. Due to vanishing differences in the combustion parameters at full load operation it was not possible to classify the ignition systems.<br />Based on these scientific findings the BOSCH-Power-Plus shows the highest potential for an application at highly charged downsized engines. If the next generation of the corona igniter should be able to show full load resistance, then the BERU-Eccos would provide a further option.