Einfluss von Kurzstreckenbetrieb in Kombination mit unterschiedlichen Kraftstoffen auf die Ölverdünnung mit Kraftstoff an einem direkteinspritzenden Ottomotor

Abstract

Die Verdünnung des Motoröls durch Kraftstoff tritt beim Ottomotor mit direkter Einspritzung überwiegend im Kaltstart auf. Verbrennungskraftmaschinen im Kurzstreckenbetrieb und insbesondere Hybridantriebe, gelten hier als besonders anfällig für hohe Ölverdünnungen. Im entstehenden Öl Kraftstoffgemisch kommt es zu einer Abnahme der Viskosität, die in weiterer Folge durch unzureichende Schmierung zu erhöhtem Verschleiß bzw. Motorschäden führen kann. Der Kraftstoffeintrag kann zudem die Ölalterung beschleunigen sowie zu einem verschlechterten HC- und Partikel-Rohemissionsverhaltens führen.In einem ersten Schritt gilt es den aktuellen Stand der Technik sowie die relevanten Grundlagen bezüglich Kraftstoffein und Kraftstoffaustrag, Einflussfaktoren, motorische Auswirkungen sowie mögliche Gegenmaßnahmen abzuhandeln.Im Anschluss folgt ein Überblick der gängigsten Messmethoden, die zur experimentellen Bestimmung des Kraftstoffeintrags herangezogen werden können, sowie eine genauere Betrachtung des in dieser Arbeit eingesetzten Fourier Transform Infrarot Spektrometers. Diese beinhaltet die Grundlagen zu Kalibrierung, Validierung und Güteparameter. Im nächsten Schritt werden mithilfe univariater Datenanalyseverfahren Kalibrierungsmodelle erstellt und verglichen.Im ersten Experiment werden im WLTC-Fahrzyklus Kraftstoffe variiert, um den Einfluss der Kraftstoffformulierung auf den Kraftstoffeintrag zu untersuchen. Weiters werden mögliche Auswirkungen des ansteigenden Kraftstoffanteils auf das HC- und Partikelemissionsverhalten untersucht.Im zweiten Experiment wird für eine Auswahl an Kraftstoffen aus Experiment 1 der Einfluss von exzessivem Kurzstreckenbetrieb auf den Kraftstoffeintrag untersucht. Für eine Auswahl aus diesen Kraftstoffen wird der Einfluss auf den Kraftstoffeintrag untersucht für den Fall, dass im Kurzstreckenbetrieb aufgrund geringer Außentemperatur für den Fahrer ein Heizbedarf auftritt, der dem Motor in der Startphase zusätzliche Wärme entzieht.Für das letzte Experiment werden spezielle Kraftstoffe mit EPA Zertifizierung anhand des FTP-75 Fahrzyklus untersucht.Aus den erhaltenen Ergebnissen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:Kraftstoffe mit ungünstigen Siedeverhalten bzw. einem hohen Anteil hoch siedenden Komponenten führen zu hohen Ölverdünnungen. Insbesondere zeigen Kraftstoffe mit einem hohen aromatischen Kohlenwasserstoffanteil der C9+ Fraktion eine starke Neigung zum Kraftstoffeintrag. Das Ausmaß der Ölverdünnung kann zudem in einem großen Maße durch das Nutzungsverhalten beeinflusst werden. Häufige Kaltstarts (Hybridmodus), exzessiver Kurzstreckenbetrieb ohne phasenweisen Betrieb des Motors bei regulären Öltemperaturen führen meist, unabhängig von der Kraftstoffformulierung, zu höheren Ölverdünnungen als bei einem ausgeglichenen Nutzungsverhalten.

In gasoline engines with direct injection, fuel dilution of the engine oil occurs predominantly during a cold start. Hybrid drives but also internal combustion engines that are mainly used in short haul use are considered to be particularly susceptible to high oil dilutions. Usually, the mixing of fuel and engine oil leads to a decrease in oil viscosity. The resulting insufficient lubrication can lead to increased wear and tear or serious engine damage. The fuel entry also has negative consequences in regard to oil aging and can lead to increased HC and particle emissions.In a first step, the current state of technology will be presented as well as the relevant fundamentals regarding fuel input and fuel discharge, influencing factors, consequences of the engine use as well as possible countermeasures.This is followed by an overview of the most common measurement methods that can be used for the experimental determination of the fuel entry, as well as a closer look at the Fourier transform infrared spectrometer used in this work. This includes the basics of calibration, validation and quality parameters.The next step is to develop calibration models using univariate data analysis approaches and compare them to each other. In the first experiment, fuels are varied in the WLTC driving cycle in order to investigate the influence of the fuel formulation on the fuel dilution. In addition, the HC and particle emission behavior is examined during the test to determine whether changes can be observed as a result of the increasing proportion of fuel in the oil.The influence of excessive short-distance engine operations on fuel dilution is investigated in the second experiment for a selection of fuels from the first experiment.In the next step, the operating conditions with regard to oil dilution are tightened again and compared for the case that, in addition to the short-distance engine operation, the driver requests heating due to the cold outside temperature, which draws additional heat from the engine during the starting phase.The final experiment investigates the effect of special fuels with EPA certification on oil dilution behavior using the FTP 75 driving cycle.Based on the results, the following conclusions can be drawn:Fuels with unfavorable boiling behavior or a high proportion of high-boiling components lead to high oil dilution. In particular, fuels with a high aromatic hydrocarbon content of the C9+ fraction show a strong tendency to oil dilution. Oil dilution can also be influenced to a large extent by usage behavior. Regardless of the fuel formulation frequent cold starts (hybrid mode), excessive short haul use without phased engine operation at regular oil temperatures usually lead to higher oil dilutions than with regular engine operation.