Innovative Zündsysteme : Untersuchungen in einer Verbrennungsbombe

Abstract

Ein Schwerpunkt der momentanen Entwicklung beim Ottomotor liegt in der Erzielung eines geringeren Teillastverbrauches. Neben einer geringeren Reibung und einem hohen bzw. variablen Verdichtungsverhältnis wird die Erhöhung des Wirkungsgrades durch spezielle Teillastbrennverfahren (Ladungsschichtung, homogene Ladungsverdünnung, HCCI-Verfahren) und eine Verlagerung der Betriebspunkte in Richtung höherer Mitteldrücke angestrebt. Das sichere Entflammen von mageren Gemischen ist daher ein Kriterium für zukünftige Zündsysteme. Ein weiteres wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung wird mit der Aufladung bzw. dem Downsizing von Verbrennungsmotoren ermöglicht.<br />Hohe Ladungsdichte im Zylinder erhöht entscheidend den Zündspannungsbedarf der Zündanlage. Um zukünftige Zündsysteme hinsichtlich Zündspannung, Zündenergie und Anwendung von Mehrfachfunken im Vergleich zu einem konventionellen Zündsystem bewerten zu können, werden in dieser Arbeit Entflammungsuntersuchungen eines Methan-Luft-Gemisches im ruhenden Medium, in einer sogenannten Verbrennungsbombe, durchgeführt. Die Zündung des Gemisches erfolgt insgesamt mit sechs Funkenzündanlagen und zwei alternativen Zündsystemen der sogenannten Korona- und der Laserzündung. Die Funkenzündanlagen werden mit vier verschiedenen Zündkerzentypen untersucht. Die Entflammung erfolgt bei stöchiometrischem und magerem Gemisch sowie bei unterschiedlich hohen Drücken. Eine optische Diagnostik nach dem Prinzip der Schlierenaufnahmen, ermöglicht eine zusätzliche Erfassung der Verbrennungseinleitung und der ersten Phase der Energieumsetzung. Zündsysteme mit hoher Funkenenergie zeigen Vorteile gegenüber konventionellen Systemen bei der Verbrennung von mageren Gemischen, wobei die Mehrfachfunkenzündung hinsichtlich des Druckanstieges sowohl für magere als auch für stöchiometrische Verhältnisse Vorteile besitzt.<br />Die Koronazündung indiziert im Vergleich zu den übrigen Zündanlagen die mit Abstand schnellste Druckänderung in der Verbrennungsbombe, zeigt allerdings Probleme bei der Standfestigkeit während des Messprogramms.<br />Die Laserzündung entflammt das Gemisch problemlos bei hohen Drücken sowie magerer Gemischzusammensetzung, und die Erhöhung der Laserenergie bewirkt einen kürzeren Zündverzug. Die grundlegenden Experimente in der Verbrennnungsbombe bestätigen bekannte Zusammenhänge und zeigen einen ersten Funktionstest alternativer Zündsysteme. Bei hohem Zünddruck und magerer Gemischzusammensetzung haben sich die Mehrfachfunken- und die Spulenzündung mit hoher Funkenenergie als vielversprechende Zündsysteme für Prüfstandsversuche herausgestellt. Die Laserzündung liefert ebenfalls gute Ergebnisse in diesem Messpunkt, sie steht aber in naher Zukunft für Serieneinsätze nicht zur Verfügung.