Irreguläre Verbrennungsphänomene in hochaufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotoren mit besonderem Fokus auf der Entwicklung von neuen kraftstoffbeschreibenden Kennzahlen und optischer Diagnostik

Abstract

Damit die Effizienz von heutigen Ottomotoren weiter gesteigert werden kann, ist es erforderlich, das Klopf- und Vorentflammungsverhalten von Kraftstoffen zu untersuchen und deren Einfluss auf irreguläre Verbrennungsphänomene festzustellen. Die Entwicklung neuer Prüfmethoden soll nach Möglichkeit von abgeleiteten, eingeführten Kenngrößen das abnormale Verhalten reproduzierbar und auch realitätsnah charakterisieren. Aus diesen Erkenntnissen wurden modifizierte Prüfverfahren auf Basis des weltweit eingesetzten CFR-Prüfmotors abgeleitet und aussagekräftige Werte für die Vorentflammungsneigung und das Klopfverhalten zukünftiger Kraftstoffe in modernen Ottomotoren geliefert. Sämtliche Verfahren dieser Arbeit wurden an einem auf Direkteinspritzung anstatt Vergaser umgebauten CFR-Motor entwickelt und anhand einer Kraftstoffmatrix, bestehend aus einer Vielzahl an Splashblends, fünf ausgewählter Alkohole, abgesichert. Die Vorentflammungsphänomene, ausgelöst durch einen kritischen Zustand in der Gasphase und durch eine heiße Stelle, wurden getrennt voneinander betrachtet. Eine Validierung an einem Einzylinder-Forschungsmotor mit modernem Brennverfahren und an einem Vierzylinderserienmotor, bestätigt die neuen Prüfmethodiken. Die Thematik der irregulären Verbrennungsphänomene bei Ottomotoren wurde darüber hinaus einer ganzheitlichen Betrachtung unterzogen, in der mitunter versucht wurde, Klarheit in der Klassifizierung der verschiedenen möglichen Erscheinungsarten zu schaffen. So gliedert sich diese Arbeit nach den vier bisher bekannten wesentlichen abnormalen Verbrennungserscheinungen, wie konventionelles Klopfen, Superklopfen, der sogenannten LSPI (Selbstzündung vor dem Zündzeitpunkt) und der Glühzündung. Außerdem wurden unter Zuhilfenahme optischer Diagnostik mögliche Ursachen und Einflüsse für die Entstehung von extrem klopfenden Verbrennungszyklen, in dieser Arbeit Superklopfer genannt, aufgezeigt und analysiert.

The investigation of knocking, pre-ignition and/or self-ignition behaviour of the overall system (engine, fuel and lubricating oil) is a vital step for optimizing future gasoline engines and their consumables. To this end, new adjusted test methods need to be developed. The creation of derived characteristic numbers if possible, would be necessary to determine the irregular behaviour in a reproduceable and realistic manner. The findings of this research led to modified test methods based on the globally used CFR test engine and produced significant parameters of pre-ignition tendency and knocking behaviour of future fuels in modern gasoline engines. The CFR engine was transformed to direct injection instead of carburetor for the further development of the new test methods. To assure the test procedures, a fuelmatrix consisting of several splash blends, of five selected alcohols, has been considered. Pre-Ignition phenomenon triggered by a critical condition in the gas phase and caused by a hot spot were investigated separately. The measurements and new methods were confirmed by validation on a single-cylinder research engine with state of the art combustion and on a four-cylinder serial engine. Additionally an integrated consideration of irregular combustion phenomena in gasoline direct injection engines has been carried out, in order to get distinctness in the classification of the possible types of abnormal combustion. For this reason this work is structured in the four main irregular combustion phenomena like conventional knock, superknock, low speed pre-ignition (LSPI) and glow-ignition. Furthermore possible drivers for the origin of extreme knocking combustion cycles, called superknock, were identified and analysed with the utilization of optical diagnostic.