Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2-Emission beim Ottomotor stellt die Einf\u00fchrung der Direkteinspritzung (DE) die Einzelma\u00dfnahme mit dem h\u00f6chsten Einsparpotenzial dar.
\nBei der technischen Umsetzung dieses Entwicklungsschrittes stellen die Z\u00fcndstabilit\u00e4t, die Qualit\u00e4t und Konstanz der Gemischaufbereitung und die Erf\u00fcllung der Abgasgesetzgebung Schwierigkeiten dar, die einer breiten Markteinf\u00fchrung bisher entgegenstehen. Beim BPI-Verfahren (Bowl Prechamber Ignition) treten diese Probleme verfahrensbedingt erst gar nicht auf. Hierbei wird ein homogen mageres Grundgemisch durch eine Saughubeinspritzung erzeugt. Eine zweite Einspritzung im Kompressionshub platziert eine minimale Kraftstoffmenge am Z\u00fcndort zur Gew\u00e4hrleistung optimaler Z\u00fcndbedingungen. Nach erfolgter Z\u00fcndung in einer Vorkammerz\u00fcndkerze sorgen kr\u00e4ftige Fackelstrahlen f\u00fcr einen schnellen Umsatz des Grundgemisches.
\nIm abgeschlossenen DBU-Vorhaben (Az.: 17706) wurde das Potenzial des BPI-Verfahrens hinsichtlich der Entflammung und Verbrennung magerer Gemische in Verbindung mit einer drallvariablen D\u00fcse zur Erf\u00fcllung der Anforderungen an das Gemischbildungssystem f\u00fcr das BPI-Verfahren nachgewiesen.
\nDas Ziel des hier durchgef\u00fchrten Vorhabens ist die Nutzung der Vorteile der drallvariablen Einspritzd\u00fcse zur Erzeugung einer dem BPI-Verfahren angepassten Gemischverteilung zur Darstellung des BPI-Verfahrens im gesamten Motorkennfeld.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten am IFKM bestehen aus Untersuchungen am BPI-Versuchsmotor, der im Rahmen des Projektes weiterentwickelt wird. Grundlagenuntersuchungen zur Gemischbildung und Verbrennung erfolgen mittels optischer Messtechniken. Erg\u00e4nzend erfolgen numerische Untersuchungen des Motorprozesses, der D\u00fcseninnenstr\u00f6mung und der Kraftstoffstrahlausbreitung. Die Arbeiten am FiF bestehen in der Wei-terentwicklung der vom vorherigen Projekt vorhandenen drallvariablen D\u00fcse zur Erf\u00fcllung der Anforderungen des BPI-Motors im Last-Drehzahl-Kennfeld. Hierzu erfolgt die Anpassung des Einspritzsystems hinsichtlich Bauraumbedarf und Einspritzparameter an das Pr\u00fcfstandsaggregat und das Verfahren.
\nDurch anschlie\u00dfende motorische Untersuchungen mit dem Gesamtsystem wird das Potenzial des BPI-Verfahrens hinsichtlich Verbrauch und Emissionen aufgezeigt. Hierbei werden Sondermesstechniken wie die kontinuierliche Gasentnahme und die Ionenstrommesstechnik eingesetzt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das in diesem Projekt weiterentwickelte BPI-Verfahren stellt eine M\u00f6glichkeit dar, die Schwierigkeiten strahlgef\u00fchrter Benzindirekteinspritzungsverfahren zu umgehen, dabei aber deren Wirkungsgradvorteile voll auszunutzen. Der Bohrungsdurchmesser des aus dem Vorg\u00e4ngerprojekt vorhandenen BPI-Motors entspricht nicht dem aktueller Pkw-Motoren. F\u00fcr die Durchf\u00fchrung dieses Projekts wurde daher ein neuer Versuchsmotor mit kleinerem, f\u00fcr moderne Motoren repr\u00e4sentativem, Bohrungsdurchmesser konzipiert und umgesetzt. Neben Untersuchungen im bekannten Teillastbetriebspunkt pmi=3 bar, n= 2000 1\/min erfolgte mit diesem Motor eine Ausweitung des BPI-Betriebs auf weitere Betriebspunkte im gesamten Motorkennfeld. Zun\u00e4chst wurden motorische Untersuchungen am BPI-Motor des vorangegangenen Projekts durchgef\u00fchrt. So konnte herausgearbeitet werden, dass die einfach zu handhabende Ionenstrommesstechnik zur Bestimmung der Gemischanreicherung an der Z\u00fcndstelle und damit zur Regelung des BPI-Betriebs herangezogen werden kann. Au\u00dferdem wurde die Tauglichkeit der Vorkammerz\u00fcndkerze f\u00fcr den Volllastbetrieb nachgewiesen. Hinsichtlich Klopfneigung und zyklischer Schwankungen zeigte die Vorkammerz\u00fcndkerze sogar Vorteile gegen\u00fcber einer herk\u00f6mmlichen Hakenkerze. Die Auslegung und Konstruktion des neuen BPI-Motors mit reduziertem Bohrungsdurchmesser erfolgte unter Einsatz der 3D-CFD. Der Motor konnte somit von Anfang an hinsichtlich des BPI-Verfahrens optimiert werden. Nach Inbetriebnahme wurde der neue BPI-Motor mit einem Seriendrallinjektor betrieben und die Ergebnisse mit dem Vorg\u00e4ngermotor verglichen. Die Neukonstruktion zeigt gegen\u00fcber ihrem Vorg\u00e4nger deutlich bessere motorische Kenngr\u00f6\u00dfen. So sinkt der Verbrauch bei niedrigen zyklischen Schwankungen um bis zu 9%. Mittels verschiedener Einlegeelemente im Saugrohr, wurden unterschiedliche Zylinderinnenstr\u00f6mungen generiert und deren Einfluss auf den Motorprozess bestimmt. \u00c4hnlich wie bei herk\u00f6mmlichen Ottomotoren zeigte sich ein positiver Einfluss intensiver Ladungsbewegung auf die Verbrennung, ohne dass dabei Defizite bei der Gemischanreicherung durch die zweite Einspritzung in Kauf genommen werden mussten. Versuche mit der drallvariablen D\u00fcse zeigten schlie\u00dflich, dass die Gemischbildung durch unterschiedli-che Einstellungen an der D\u00fcse zum Teil deutlich beeinflusst werden kann. Das Potential der neu entwi-ckelten D\u00fcse konnte dabei aufgrund des Prototypenstadiums noch nicht voll ausgesch\u00f6pft werden. Bei den abschlie\u00dfenden Versuchen zur Erweiterung des BPI-Kennfeldbereichs, die ausschlie\u00dflich mit der drallvariablen D\u00fcse durchgef\u00fchrt wurden, konnte gezeigt werden, dass das BPI-Verfahren in Verbindung mit Abgasr\u00fcckf\u00fchrung eine wirksame und dennoch verbrauchsneutrale Ma\u00dfnahme zur Reduktion der NOx-Emissionen darstellt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse der in diesem Projekt durchgef\u00fchrten Untersuchungen wurden auf verschiedenen Fachveranstaltungen und durch sonstige Ver\u00f6ffentlichungen vorgestellt. Unter den wichtigsten sind:
\nKettner, M.: Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Optimierung der Entflammung von mageren Gemischen bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung, Dissertation, Universit\u00e4t Karlsruhe, 2006
\nLienig, U.: Einspritzd\u00fcsen mit variablem Drall – ein viel versprechendes Konzept zur aktiven Beeinflussung der Strahleigenschaften, 7. Dresdner Motorenkolloquium, 2007
\nKettner, M.: A New Flame Jet Concept to Improve the Inflammation of Lean Burn Mixtures in SI Engines, SAE-Paper 2005-01-3688, 2005<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit der Portierung des BPI-Verfahrens auf einen Motor mit kleinerem Bohrungsdurchmesser ist es gelungen, dieses neue Brennverfahren an einem f\u00fcr heutige Motoren repr\u00e4sentativen Aggregat darzustellen und gleichzeitig die motorischen Eigenschaften deutlich zu verbessern. Durch verschiedene Formen der Ladungsbewegung konnte dabei die Verbrennung positiv beeinflusst werden ohne dabei die Gemischanreicherung durch die zweite Minimaleinspritzung zu beeintr\u00e4chtigen. Besonders in Verbindung mit Abgasr\u00fcckf\u00fchrung besitzt das BPI-Verfahren das Potential in weiten Bereichen des Motorkennfelds einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigen NOx-Emissionen darzustellen. So konnten im Betriebspunkt pmi10 bar, n= 2000 1\/min NOx-Emissionen von ca. 2g\/kWh erzielt werden. Mit der Ionenstrommesstechnik konnte die Basis f\u00fcr die Regelung des BPI-Betriebs vorgestellt werden, so dass in jedem Betriebspunkt die optimale Gemischanreicherung gew\u00e4hrleistet werden kann. Die weiterentwickelte drallvariable D\u00fcse bietet gen\u00fcgend Einstellm\u00f6glichkeiten, um das Strahlbild an die Anforderungen der Gemischbildung des BPI-Verfahrens anzupassen. In den Untersuchungen konnte der Einfluss verschiedener Stellparameter auf die Verbrennung herausgearbeitet werden. Trotz des Prototypenstadiums der Einspritzd\u00fcse konnte damit deren besondere Eignung f\u00fcr das BPI-Verfahren bewiesen werden. Insgesamt steht mit dem BPI-Verfahren in Verbindung mit der drallvariablen D\u00fcse und der Abgasr\u00fcckf\u00fchrung ein in naher Zukunft um-setzbares Motorkonzept zur Verf\u00fcgung, das im Vergleich zu heutigen Motoren bei verbessertem Wirkungsgrad deutlich geringere NOx- und HC-Emissionen verspricht. Zudem ist, verglichen mit strahlge-f\u00fchrten Direkteinspritzungsverfahren, die \u00e4hnliche Vorteile wie das BPI-Verfahren aufweisen, der Entwicklungsaufwand deutlich geringer.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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