Entwicklung und Validierung potenzieller Prüfmethoden zur Selbstzündungscharakterisierung von Ottokraftstoffen

Abstract

Die hohe Leistungsdichte moderner direkteinspritzender Ottomotoren begünstigt das Auftreten irregulärer Verbrennungsphänomene hohen Schadenspotenzials (Klopfen, Vorentflammung, Glühzündung). Neben motorischer Maßnahmen zur Reduktion deren Auftretenswahrscheinlichkeit, hat ebenfalls der Kraftstoff einen maßgebenden Einfluss auf die Selbstzündungsneigung im Motor. Die normkonforme Research-Oktanzahl (ROZ) bzw. die Motor-Oktanzahl (MOZ) lassen in diesem Zusammenhang keine ausreichend belastbare Bewertung der Selbstzündungscharakteristik zu. Mit dem Ziel der korrekten Selbstzündungsbewertung von alkoholhaltigen Ottokraftstoffen wurden in Martin (2013) [1] neue Kraftstoffbewertungsmethoden zur Charakterisierung des Klopf- (Direkteinspritzende Oktanzahl, DOZ), des Vorentflammungs- (Compressed Pre-Ignition Kennzahl, CPI) und des Glühzündungsverhaltens (Hot-Spot Pre-Ignition Kennzahl) vorgestellt. Die Bewertung und Adaption bzw. Optimierung der Prüfmethoden für marktkonforme Benzine ist Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Auf Basis einer Kraftstoffauswahl von mehr als 30 Proben wird die Validierung der potenziellen Kennzahlen an einem modernen Dreizylinder-Serienaggregat bzw. einem Einzylinder-Forschungsmotor durchgeführt. Die Kennzahlermittlung selbst basiert auf einem gemäß Martin (2013) [1] adaptierten direkteinspritzenden Coorperative-Fuel-Research-Prüfmotor (CFR-Motor) und wird von umfangreichen thermodynamischen Analysen begleitet.

The high risk of abnormal combustion phenomenon (knocking, pre-ignition) can be associated to the high power density of modern direct-injection gasoline engines. There are two possibilities to reduce this risk by either changing the engine settings or influencing it by fuel properties. In this context neither the Research-Octane-Number (RON) nor the Motor-Octane-Number can be used for reliable validation of self-ignition characteristics in modern engines. First investigations of new characteristic numbers to describe the self-ignition behaviour of alcoholic fuels were already done and described in Martin (2013) [1]. Within this publication the Direct-Injection-Octane-Number (DON), the Compressed Pre-Ignition-Number (CPI) and the Hot-Spot-Pre-Ignition-Number (HSPI) were presented. The assessment and optimization of these new test methods on common gasoline fuels is shown within this present dissertation. The validation of the characteristic numbers is based on 30 different fuels and performed on a modern three-cylinder-production-engine and a one-cylinder-research-engine. The characteristic numbers are determined on a direct-injection Cooperative-Fuel-Research-Engine (CFR-Engine) as described in Martin (2013). Additionally various thermodynamic analysis were conducted.