Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Ottomotoren mit äußerer sowie innerer Gemischbildung beim Einsatz hochsiedender Alternativkraftstoffe am Beispiel Ethanol

Abstract

Aufgrund zunehmender Ressourcenknappheit fossiler Energieträger sowie der bei deren Verbrennung entstehenden Treibhausgasemissionen kommen vermehrt alternative Kraftstoffe biogenen Ursprungs für den Verkehrssektor zum Einsatz. Diese Kraftstoffe – beispielsweise Ethanol für den Einsatz in Ottomotoren – weisen neben ihren überwiegend günstigen Auswirkungen auf das Betriebsverhalten speziell bezüglich des Kaltstartverhaltens problematische Eigenschaften auf. Um den Kaltstart auch beim Einsatz von Kraftstoffen mit hohen und höchsten Ethanolkonzentrationen bei tiefen Umgebungstemperaturen unabhängig von Zusatzmaßnahmen zu ermöglichen, befasst sich die vorliegende Arbeit mit den Vorgängen bei der, sowie den Einflussgrößen auf die Gemischbildung während des Kaltstartvorganges am Ottomotor mit direkter (DI) und Saugrohreinspritzung (PFI). Aus dieser theoretischen Betrachtung konnten sowohl für PFI- als auch DI-Ottomotoren die relevanten Potenziale zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens identifiziert werden. Diese wurden in weiterer Folge in Kaltstartversuchen sowohl an einem saugrohreinspritzenden als auch einem direkteinspritzenden Ottomotor untersucht. Es wurden sowohl relativ einfache – und bereits zur Kaltstartverbesserung mit herkömmlichen Ottokraftstoffen herangezogene – Maßnahmen, wie eine Erhöhung der Einspritzmenge sowie eine Bewertung des Einflusses des Einspritztimings, als auch innovative Konzepte zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens, wie eine Bewertung des Einflusses unterschiedlicher Einspritzstrategien und die Auswirkung des Saugrohrdruckes auf die Gemischbildung untersucht. Die bei den Kaltstartuntersuchungen ermittelten Ergebnisse wurden zu optimierten Kaltstartstrategien für den Betrieb mit hochsiedenden Alternativkraftstoffen sowohl für PFI-Motoren als auch für DI-Motoren zusammengefasst. Durch den Einsatz dieser Strategien konnte einerseits die mögliche Kaltstarttemperatur mit hochsiedenden Alternativkraftstoffen unterschiedlicher Qualität ohne zusätzliche Hilfsmittel signifikant abgesenkt werden. Andererseits eignen sich diese zur Verminderung der beim Kaltstart entstehenden Emissionen.

Due to the shortage of fossil energy sources as well as the production of green house gas emissions during their combustion, alternative fuels with biogenous origin are increasingly used for transport purposes. These fuels, for example ethanol for gasoline engines, show problematic behaviour especially concerning their cold start characteristic while their impact on engine operation is mostly advantageous. To enable the cold start even with fuels containing highest amounts of ethanol at low ambient temperatures without the usage of supporting measures, this work is concerned with the processes and the influences on the mixture formation during the cold start of gasoline engines with direct (DI) as well as port fuel (PFI) injection. On the basis of this theoretic examination the relevant potentials to improve cold start behavior could be identified for PFI- and DI-engines. These potentials were investigated in cold start experiments on gasoline engines in consequence. Relatively simple measures, which have been already used for the cold start improvement with fossil gasoline, where investigated as well as innovative concepts like different injection strategies and the influence of the manifold pressure. The determined results were merged into optimized cold start strategies for PFI- and DI-engines using fuels with high ethanol concentrations. With the help of these strategies the possible cold start temperature with ethanol fuels of different quality could be reduced significantly as well as the exhaust gas emissions generated during cold start.