Untersuchung von Einflussgrößen auf die Selbstzündungsneigung an einem hochaufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung

Abstract

Die sich mittel- und langfristig zuspitzende Ressourcenknappheit zwingt die Automobilindustrie, nach neuen Möglichkeiten zur Erhöhung der Effizienz des Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs zu suchen. Eine sehr vielversprechende Möglichkeit für den breiten Einsatz ist das Downsizing bei Otto-Motoren. Hierbei soll ein bestehender Motor durch einen mit kleinerem Hubraum ersetzt werden, der aber zumindest gleiche oder sogar höhere Leistung bieten soll. Bei der Leistungsentfaltung sollte es möglichst über das gesamte Drehzahlband keine Einbußen geben. Damit ist zwingendermaßen eine Anhebung des effektiven Mitteldrucks im Zylinder notwendig. Je nach Downsizing-Grad ist meistens eine Aufladung unumgänglich, sinnvoller weise in Kombination mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Durch den kleineren Hubraum kann im Fahrbetrieb eine Lastpunktanhebung erreicht werden, die das anliegende Lastkollektiv in Bereiche mit höheren Wirkungsgraden des Otto-Motors verschiebt. Allerdings kann es bei hohen Mitteldruckwerten mit hohen Aufladegraden zu unregelmäßigen Verbrennungen kommen. Besonders kritisch in dieser Hinsicht sind niedrige Drehzahlen, mit weniger ausgeprägter Ladungsbewegung. Hierbei kommt es zunächst zum weitbekannten Klopfen, ab gewissen Aufladegraden sogar zu Selbstzündungen, bei denen die Reaktion auch ohne den Zündfunken eingeleitet wird. Es ist möglich, dass die Reaktion durch heiße Stellen im Brennraum ausgelöst wird, indem lokal die Zündtemperatur des Gemisches überschritten wird. Solche Stellen sind beispielsweise die Zündkerze, Auslassventile, heiße Stellen des Kolbens. Bei entsprechend hohen Aufladegraden kann es sogar zu einer globalen Überschreitung der Zündtemperatur kommen, wodurch ebenfalls die Reaktion ausgelöst wird. Jedenfalls kommt es in beiden Fällen, wegen der sehr frühen Umsatzlage, und damit vorherrschendem hohen Druck, sowie einer hohen Temperatur im Brennraum, zu einer sehr schnellen Umsetzung mit sehr hohen auftretenden Spitzendrücken im Zylinder. In der Folge können Motorschäden auftreten. Unterschiedliche Parameter- sowie Hardwarevariationen wurden untersucht im Hinblick auf deren Wirksamkeit bei der Verschiebung der Selbstzündungsgrenze hin zu höheren Aufladegraden. Dabei wurde der Einfluss der Einlasssteuerzeit analysiert, mit begleitenden Messungen der Zündkerzentemperaturen. Weiters wurden die Auswirkungen von externer Abgasrückführung an der Volllast analysiert, sowie eine Ladungsverdünnung durch Magerbetrieb des Motors.<br />

Because of the more and more culminating shortage of resources, the automotive industry has to search for methods to increase the efficiency of vehicle powertrains. Downsizing of the engines seems to show great promise referring to this in the case of SI-engines. The goal is to replace an engine by one with smaller displacement, but to let the performance nearly unchanged or even to improve it. The wish is to have the similar power output at all speeds. To achieve this, it is necessary to increase the mean effective pressure in the cylinder. Mostly it's necessary to use supercharging technique, it is sinful to combine it with fuel direct injection. With smaller displacement the operation point is shifted to higher loads, followed by the increase of the effective efficiency of an SI-engine. But with higher mean effective pressure and higher degrees of supercharging, the occurrence of irregular combustion phenomena is possible. It happens especially at lower speeds, with lower charge motion. The well known knocking occurs as well as pre-ignition phenomena, where the combustion starts before ignition by the spark plug. It is possible, that the combustion is initiated by local excess of the ignition temperature at hot parts, e.g. the spark plug, outlet valves or the piston. But also a global excess of the ignition temperature is possible. In both cases the combustion is very fast, with fast increase of the cylinder pressure. Very high maximal values are reached, and these can lead to damage of engine parts. Several variations of parameter settings and hardware variations were executed to detect their impact on pre-ignition tendency, in order to shift the limits to higher degrees of supercharging. The influence of intake valve timing was investigated, accompanied with measurement of spark plug temperatures. Furthermore the impact of the external exhaust gas recirculation was analysed. At last a charge dilution by ambient air was investigated.