Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zur Senkung des Kraftstoffverbrauches und damit der CO2-Emission beim Ottomotor stellt die Einf\u00fchrung der Direkteinspritzung eine wirkungsvolle Ma\u00dfnahme dar. Heute wird an wand-, luft- und strahlgef\u00fchrten Brennverfahren gearbeitet. Eine M\u00f6glichkeit, die noch vorhandenen technischen Probleme dieser Brennverfahren zu reduzieren, wird in der Anwendung des BPI-Verfahrens (Bowl Prechamber Ignition) gesehen (Patent: DE 19714796A1). F\u00fcr die Praxistauglichkeit dieses Brennverfahrens besitzt u. a. die Applikation einer flexiblen Einspritztechnik eine gro\u00dfe Bedeutung. Wie aus Untersuchungen zur elektrostatisch unterst\u00fctzten Kraftstoffzerst\u00e4ubung hervorgeht, k\u00f6nnen unter bestimmten Bedingungen Strahlkegelwinkel und Tropfengr\u00f6\u00dfen eines Kraftstoffstrahles durch die elektrische Aufladung des Kraftstoffes ver\u00e4ndert werden. Die bedarfsgerechte Zu- und Abschaltung der elektrischen Hochspannung k\u00f6nnte die gew\u00fcnschte Flexibilit\u00e4t im Einspritzprozess erbringen. Das Projektziel besteht deshalb in der Entwicklung eines neuartigen Verfahrens f\u00fcr die Benzin-Direkteinspritzung unter Einbeziehung der elektrostatisch unterst\u00fctzten Kraftstoffzerst\u00e4ubung.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAusgangspunkt der Untersuchungen bildet die Definition des zu verwendenden Injektortyps. Der Anforderungskatalog an den Elektrostatik-Injektor basiert auf Untersuchungen im IFKM (Druckkammer, Motorenpr\u00fcfstand). Die Spraycharakteristik wird dabei \u00fcber Laserlichtschnitttechnik und durch PIV ermittelt. Im FIF wird die elektrische Hochspannung unter der Bedingung einer optimalen Kraftstoffaufladung in den Injektor appliziert. Die Auswirkungen der elektrischen Hochspannung auf den Strahlzerfall muss auch hier an einer Druckkammer mittels Laserlichtschnitt- und Schattenrissverfahren vorgenommen werden. Im Ergebnis dieser Iterationsschritte wird im FIF ein motortauglicher Elektrostatik-Injektor konstruiert und gefertigt. Dieser wird dann in die Pr\u00fcfstandsuntersuchungen am IFKM, die auch das Austesten weiterer Einflussgr\u00f6\u00dfen wie z. B. Kolbenmulden- und Vorkammergeometrie beinhalten, eingegliedert. Die Versuchsergebnisse basieren hier auf der Motorindizierung, der Anwendung von GEV und PIV. Zur Simulation bestimmter Phasen der Strahlausbreitung kommt u.a. die 3D-CFD zum Einsatz.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Ausgangspunkt f\u00fcr die Konzeptfindung eines Einspritzsystems, das die Anforderungen des BPI-Verfahrens erf\u00fcllt, war die elektrostatisch unterst\u00fctzte Einspritzung. Durch die elektrostatische Aufladung des Kraftstoffes wird die Strahlgeometrie beeinflusst. Durch Voruntersuchungen wurde festgestellt, dass durch die Elektrostatik die Strahlgeometrie nicht in dem Ma\u00dfe beeinflusst werden kann, wie das f\u00fcr das BPI-Verfahren erforderlich ist.
\nNach einer ausf\u00fchrlichen Recherche ergab sich, dass ein Einspritzsystem mit einer drallvariablen D\u00fcse das gr\u00f6\u00dfte Potenzial zur Erf\u00fcllung der Anforderungen des BPI-Verfahrens bietet. Drallvariable D\u00fcsen sind aus der Verfahrenstechnik bekannt. Ihre \u00dcberf\u00fchrung in ein Einspritzsystem erforderte jedoch, neue Wege bei der Auslegung, Konstruktion und Fertigung zu gehen. Zus\u00e4tzlich musste eine M\u00f6glichkeit vorgesehen werden, um die Drallvariabilit\u00e4t bei geschlossener D\u00fcsennadel und fehlendem Durchfluss aufrecht zu erhalten. Daher verf\u00fcgt das Einspritzsystem mit drallvariabler D\u00fcse \u00fcber einen zus\u00e4tzlichen R\u00fccklauf, der auch zwischen zwei Einspritzungen innerhalb eines Arbeitszyklusses geschlossen werden kann. Durch diese Eigenschaften des Einspritzsystems l\u00e4sst sich die Strahlgeometrie von einem engen Strahlkegelwinkel mit einem \u00d6ffnungswinkel von 20\u00b0 auf einen Winkel von 90\u00b0 umschalten. Damit gen\u00fcgt dieses Einspritzsystem den Anforderungen des BPI-Verfahrens. Gleichzeitig besteht weiterhin die M\u00f6glichkeit, dem Grundsystem eine elektrostatische Aufladung hinzuzuf\u00fcgen und so die Tropfengr\u00f6\u00dfen an den Bedarf anzupassen.
\nAuf Grund des anf\u00e4nglich nicht verf\u00fcgbaren Einspritzsystems f\u00fcr das BPI-Verfahren erhielt der Motor zwei Einspritzsysteme. Dabei wurde das Grundgemisch mit Hilfe einer \u00e4u\u00dferen Gemischbildung er-zeugt. Die Einspritzung der Gemischanreicherung im Kompressionshub erfolgte durch Direkteinspritzung. Durch Optimierung der Brennraumform und der Lage der Direkteinspritzung konnte die Kraftstoffmenge f\u00fcr die Gemischanreicherung deutlich abgesenkt und auf 2-5% der Gesamtkraftstoffmenge vermindert werden. CFD-Analysen und FRFID-Messungen best\u00e4tigen, dass die Gemischanreicherung in der Kammer der Z\u00fcndkerze gelingt. Optische Untersuchungen belegen, dass aus den Bohrungen der Z\u00fcndkammer kr\u00e4ftige Fackelstrahlen austreten und das magere Grundgemisch (l=1,6) schnell zum Durchbrennen bringen. Im Vergleich zu einem Ottomotor mit \u00e4u\u00dferer Gemischbildung ergibt sich ein er-heblicher Verbrauchsvorteil bei gleichzeitig geringerer NOx-Emission.
\nNach dem das Einspritzsystem betriebsbereit war, wurde es in den BPI-Versuchsmotor eingebaut. Die Motorversuche zeigten, dass das Einspritzsystem die gestellten Anforderungen erf\u00fcllte und einen einwandfreien Betrieb erm\u00f6glichte. Durch die Realisierung einer vollst\u00e4ndig inneren Gemischbildung (keine \u00e4u\u00dfere Einspritzung mehr) sank die NOx-Emission sehr stark (-70%), was mit einem geringeren Anstieg der HC-Emission (+30%) verbunden war. Ausgehend von dem noch nicht vollst\u00e4ndig ausgesch\u00f6pften Optimierungspotenzial der Kombination aus BPI-Verfahren und drallvariabler Einspritzung ist eine weitere Verbesserung des Konzeptes zu erwarten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse der Projektarbeiten wurden bisher auf verschiedenen Fachveranstaltungen vorgetragen. Unter den wichtigsten sind:
\n–\tKettner, M.; Fischer, J.; Nauwerck, A.; Spicher, U.; Velji, A.; Ein neues Brennverfahren mit Mehrfacheinspritzung f\u00fcr Ottomotoren mit Direkteinspritzung, 9. Tagung: Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors, Graz, 2003
\n–\tKettner, M.; Fischer, J.; Nauwerck, A.; Tribulowski, J.; Spicher, U.; Velji, A.; The BPI Flame Jet Concept to Improve the Inflammation of Lean Burn Mixtures in Spark Ignited Engines, SAE-Paper 2004-01-0035, 2004<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das BPI-Verfahren erweist sich als vielversprechendes Konzept zur Steigerung des Wirkungsgrades moderner Verbrennungsmotoren. Das Einspritzsystem mit drallvariabler D\u00fcse bietet eine gro\u00dfe Variabilit\u00e4t der Strahlgeometrie und erlaubt so eine optimale Anpassung der Gemischbildung an das BPI-Verfahren. Dadurch lassen sich die Vorteile des BPI-Verfahrens bei der Entflammung magerer Gemische mit den Vorteilen der inneren Gemischbildung verbinden. Bei sehr niedrigen NOx-Rohemissionen nimmt beim bisher nicht vollst\u00e4ndig optimierten Gesamtsystem die HC-Emission nur wenig zu. Das Optimierungspotenzial des Gesamtsystems bietet die M\u00f6glichkeit zu deutlichen Verbesserungen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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