Analyse und Bewertung neu entwickelter Kraftstoffkennzahlen zur Charakterisierung des Klopfverhaltens in modernen Ottomotoren

Abstract

In order to increase legal and environmental requirements the automotive industry needs to develop more efficient combustion engines. Therefore, the engine development needs to focus on decreasing the fuel consumption as well as cutting the CO2 emissions by a minimum. Most automotive manufacturers use the well-known concept of “downsizing”. It uses high power density of small aggregates, which leads to higher mechanical and thermal strains within the combustion engine. The changes of aggregates require adapted motor fuels to increase their resistance during motor operation. The addition of alternative fuels, such as biogenic fuels could support this resistance. Biogenic fuels, for example alcohol fuels, which are nearly CO2 neutrally produced are more environmental friendly. Generally, alcohol fuels are characterized by higher engine knock and evaporation enthalpy. The most common used biogenic compound in alternative gasoline fuels is ethanol. Ethanol influences the measurement characteristics of the combustion engines and therefore challenges traditional evaluation methods of common gasoline fuels. The study shows that the current fuel indices, ROZ and MOZ, describe the engine knock insufficient. Therefore, the aim of the study is to gain a comprehensive fuel matrix of different fuels and to validate the new developed fuel testing methods through measurements on a serial engine. Standardized measurement values, such as ROZ, MOZ and sensitivity, as well as the new adopted evaluation method, called “direct injection octane number process” (DOZ) for analysing motor fuels can be validated. The DOZ method should describe the engine knock of used aggregates better, than ROZ and MOZ. It uses a direct injection of the motor fuel instead of a carburettor. The big advantage of using DOZ is the better usage of evaporation enthalpy in the combustion chamber, which reflects the real conditions of modern gasoline motors in the combustion chamber more adequate. The actual study deals with a modification of DOZ. Lower admission temperatures show an improvement in forecasting the quality of fuel attitude during combustion process in modern gasoline engines. The modified DOZ evaluation method showed more exact measured values than commonly used ROZ methodologies. Furthermore, the adapted DOZ dissolve ROZ95 fuels better and shows its real attitude more adequate. Finally, more research in case of paraffinic fuels is needed. They show considerably different values in order to forecast fuel indices. Oxygen fuels are very important fuel components in the future, because they convince through high evaporation enthalpy and engine knock stability.

Durch eine immer restriktivere Umweltgesetzgebung sind die Automobilhersteller dazu angehalten, ihre Verbrennungsmotoren effizienter zu gestalten, sowie den Verbrauch und damit einhergehend den CO2- und Emissionsausstoß zu minimieren. Eine Vielzahl der Automobilhersteller wählt den Weg des sogenannten Downsizing-Konzeptes. Das Konzept strebt eine hohe Leistungsdichte kleiner Aggregate an, wodurch die mechanischen und thermischen Belastungen in der Verbrennungskraftmaschine stark ansteigen. Durch diese Änderungen am Aggregat verändert sich auch die Anforderung an den Kraftstoff. Durch Beimischung von alternativen Kraftstoffkomponenten wird die Beanspruchungsfähigkeit im motorischen Betrieb gesteigert. Alternative flüssige Kraftstoffe können biogene Kraftstoffe sein, welche nahezu CO2 neutral hergestellt werden. Als Bespiel für alternative flüssige Kraftstoffe sind Alkoholkraftstoffe zu nennen, die eine erhöhte Klopffestigkeit und Verdampfungsenthalpie aufweisen. Ethanol ist der Hauptvertreter in alternativen Ottokraftstoffen. Durch dessen Beimischung zum konventionellen Ottokraftstoff und den daraus resultierenden Eigenschaften stoßen die derzeit normativ gültigen Kraftstoffbewertungsverfahren an ihre Grenzen. Es wurde festgestellt, dass die derzeit gültigen Kraftstoffkennzahlen ROZ und MOZ das Klopfverhalten an modernen Serienaggregaten nur unzureichend beschreiben. Deswegen wurde am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) der TU Wien ein neues Kraftstoffbewertungsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren nennt sich Direkteinspritzendes Oktanzahl Verfahren, kurz DOZ. Hauptunterschied zum ROZ und MOZ Verfahren ist die Verwendung einer Direkteinspritzung anstelle des Vergasers. Hauptvorteil dieses Verfahrens ist die Nutzung der Verdampfungsenthalpie im Brennraum welches realistischer moderne ottomotorische Brennraumbedingungen abbildet. Diese Arbeit behandelt eine Modifikation des DOZ Verfahrens hin zu geringeren Einlasslufttemperaturen, welches die Kraftstoffverhaltensvorhersagequalität in modernen Serienottomotoren deutlich verbessern konnte und sogar die ROZ übertrifft. Ebenso löst die verbesserte DOZ ROZ95 Kraftstoffe deutlich besser auf und spiegelt das reale Kraftstoffverhalten in modernen Serienottomotoren besser ab. Jedoch ist ein weiterer Forschungsbedarf von Nöten um eine weitere Verbesserung erzielen zu können. Vor allem paraffinhaltige Kraftstoffe zeigen im Serienaggregat stark abweichende Tendenzen im Vergleich zu den prognostizierten Kraftstoffkennzahlen. Ebenso zeigt sich das enorme Potential von Oxygenatkraftstoffen in Ottomotoren. Durch deren hohe Verdampfungsenthalpie und Klopffestigkeit sind sie unumgängliche Kraftstoffkomponenten der Zukunft für den ottomotorischen Betrieb.