Bestimmung der Vorentflammungskennzahl CPI von Ottokraftstoffen und Korrelation mit Ergebnissen von Vorentflammungsuntersuchungen an einem Serienmotor

Abstract

Der kontinuierlich anhaltende Trend der letzten Dekade hin zu modernen effizienten Verbrennungsmotoren, auch bekannt als Downsizing-Motoren, erfordert durch die Begünstigung irregulärer Verbrennungsphänomene ein enormes Know-how der Entwicklung. Da das Auftreten von Verbrennungsanomalien jeglicher Art (Klopfen, Vorentflammung) ein erhebliches Schadenspotential birgt, rückt überdies zunehmend der Kraftstoff weiter in den Fokus der Forschungsaktivitäten. Die ursprünglich zur Bewertung der Klopffestigkeit eingeführte Oktanzahl kann den Einfluss der Kraftstoffe auf das Selbstzündungsverhalten insbesondere bei modernen Motoren und hohen Anteilen an Oxygenaten im Kraftstoff, nur unzureichend abbilden. Dieser Tatsache geschuldet wurde von Martin et al. [1] am IFA der TU Wien eine neue Prüfmethode an einem modifizierten CFR-Forschungsmotor (Cooperative Fuel Research) zur Klassifizierung von sauerstoffhaltigen Kraftstoffen in Bezug auf deren Vorentflammungsverhalten entwickelt. Zur Quantifizierung der Kraftstoffe dient die in diesem Zusammenhang neu eingeführte Compression Pre-Ignition Kennzahl (CPI). Ein 2019 gegründeter internationaler Arbeitskreis bestehend aus Mitgliedern der Kraftstoff- und Fahrzeugindustrie, Prüfverfahrensentwickler, Vertreter der Normungsinstitute und Forschungsstellen verfolgt das primäre Ziel der Etablierung der CPI-Kennzahl in der Kraftstoffnorm. Die Intention der vorliegenden Diplomarbeit liegt in der Bestimmung der Vorentflammungskennzahl (CPI) von marktkonformen Ottokraftstoffen und anschließender Korrelationsanalyse mit Untersuchungen an einem Serienmotor. Ferner werden die verwendeten Kraftstoffproben hinsichtlich ihrer Zündverzugszeit an einer Konstantvolumenbrennkammer untersucht um aufbauend darauf die Constant Volume Pre-Ignition Kennzahl (CVPI) zu ermitteln. Die Resultate des C(V)PI-Messverfahrens weisen eine hohe Korrelation zu den Ergebnissen am Serienmotor auf. Zudem stellt die Research-Oktanzahl (ROZ) aufgrund der geringen Anteile an Oxygenaten ein gutes Maß zur Selbstzündungscharakteristik der Kraftstoffe dar. Lediglich die Motor-Oktanzahl (MOZ) bildet das Vorentflammungsverhalten der untersuchten Proben nur unzureichend ab. Ferner kann festgehalten werden, dass die In-Zylinder-Bedingungen des CFR-Prüfmotors von denen des Serienmotors abweichen. Hinsichtlich des Prüfverfahrens zur Bestimmung der CPI-Kennzahl können sich somit unter Berücksichtigung bestimmter Kraftstoffanteile Einschränkungen bei der Bewertung des Vorentflammungsverhaltens ergeben. Dies wird in zukünftigen Forschungsarbeiten eine der wichtigsten Herausforderungen darstellen. Zudem konnten die Prüfparameter des Versuchsträgers zur Ermittlung der CVPI-Kennzahl bisher noch nicht eindeutig spezifiziert werden, diese stellen somit ebenso neue Untersuchungsgrundlagen für weiterführende wissenschaftliche Arbeiten dar.

The continuing trend of the last decade towards modern efficient combustion engines, also known as downsizing engines, requires enormous development know-how due to the favoring of irregular combustion phenomena. Since the occurrence of combustion anomalies of any kind (knocking, pre-ignition) carries a considerable potential for damage, fuel is also increasingly moving further into the focus of research activities. The octane number originally introduced to evaluate knock resistance cannot adequately reflect the influence of fuels on auto-ignition behaviour, especially in modern engines and with high proportions of oxygenates in the fuel. Due to this fact, Martin et al. [1] at the IFA of the TU Vienna developed a new test method on a modified CFR research engine (Cooperative Fuel Research) for the classification of oxygenated fuels with respect to their pre-ignition behaviour. The Compression Pre-Ignition Index (CPI), newly introduced in this context, is used to quantify the fuels. An international working group established in 2019 consisting of members from the fuel and vehicle industry, test method developers, representatives of standards institutes and research institutions is pursuing the primary goal of establishing the CPI-index in the fuel standard. The declared aim of this master thesis is to determine the pre-ignition index (CPI) of market conformity gasoline fuels and afterwards analyse the correlation with tests on a series engine. Furthermore, the fuel samples used are examined to measure their ignition delay time in a constant volume combustion chamber to be able to determine the constant volume pre-ignition index (CVPI). The results of the C(V)PI measurement method show a high correlation to the results on the series engine. Likewise, the research octane number (RON) can provide a good estimate of the auto-ignition characteristics of the fuels due to the low proportions of oxygenates. Only the motor octane number (MOZ) does not adequately represent the pre-ignition behavior of the samples investigated. It can also be noted that the in-cylinder conditions of the CFR test engine differ from those of the series engine. With regard to the test procedure for determining the CPI index, limitations may therefore arise in the evaluation of the preignition behavior when certain fuel components are taken into account. This will be one of the most important challenges in future research work. In addition, the test parameters of the test vehicle for determining the CVPI have not yet been clearly specified and therefore also represent a motivation for further investigations.