Grundsatzuntersuchungen zu einem ottomotorischen Brennverfahren mit Direkteinspritzung und Aufladung

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Brennverfahren für einen
aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung darzustellen, das
im Vergleich zu Ottomotoren mit Kanaleinspritzung keine
Nachteile im Homogenbetrieb aufweist und im Schichtladebetrieb
niedrige Emissionen und Verbräuche erreicht. Hierzu wird ein
Versuchsaggregat mit Vierventil-Anordnung, zentraler
Zündkerzenposition und seitlicher Injektorlage konstruiert, an
dem vier unterschiedliche Tumble-Niveaus, ein luftunterstütztes
Einspritzsystem (LUE), ein Hochdruckeinspritzsystem (HDE) sowie
die Injektorlage variiert werden können. Die bekannten Nachteile
wandgeführter Brennverfahren, wie zerklüfteter Brennraum und
ausgeprägte Klopfneigung, werden bei dem Versuchsträger vermieden.

Die durchgeführten Untersuchungen ergeben folgende Ergebnisse:
Um im Vollastbetrieb eine gute Homogenisierung zu erreichen,
sollte das Einspritzintervall 160 °KW nicht überschreiten, um
bis zum Zündzeitpunkt den Kraftstoff möglichst vollständig zu
verdampfen. Mittels Tumblekanälen erzeugte Ladungsbewegung im
Brennraum, kann dieser Prozeß unterstützt sowie eine schnelle
und vollständige Verbrennung begünstigt werden. ... mehrHierzu darf das
Tumble-Niveau, charakterisiert durch die Tumblezahl, von Tz=2,8
nicht unterschritten werden. Die Injektorneigung muß so auf die
Konfiguration abgestimmt sein, daß das Brennraumdach nicht mit
Kraftstoff benetzt wird und gleichzeitig eine gute Lufterfassung
des Kraftstoffs gewährleistet ist. Der optimale
Injektorneigungswinkel beträgt bei dem verwendeten
Versuchsträger 35°. Aufgrund der großen Strahleindringtiefe des
LUE-Systems und der ungenügenden Sprayqualität bei großen
Kraftstoffmengen, ist dieses für die gewählte Konfiguration
ungeeignet. Im Vollastbetrieb ergeben sich sehr hohe
Rußemissionen aufgrund von Kraftstoffauftrag an den
Brennraumwänden, insbesondere am Brennraumdach. Im
Schichtladebetrieb ist es nicht möglich, eine kompakte
Gemischwolke zu generieren, was vor allem zu hohen HC-Emissionen
führt. Die guten Zerstäubungseigenschaften des HDE-Systems sind
dagegen unabhängig von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und
die Strahleindringtiefe ist deutlich geringer als beim
LUE-System. Dies führt im aufgeladenen Vollastbetrieb zu einer
geringen Wandbenetzung mit Kraftstoff. Im Schichtladebetrieb
kann zusätzlich eine kompakte Gemischwolke generiert werden, die
Voraussetzung für eine schnelle und vollständige Verbrennung mit
guter Kraftstoffausnutzung sowie geringer HC-Emission ist. Nur
mit dem HDE-System können alle festgelegten Zielwerte erreicht
bzw. unterschritten werden. In der Vollast ergeben sich bei
pmi=16 bar Schwärzungszahlen (SZ) von 0,4 bei n=2000 1/min und
0,18 bei n=4000 1/min, die deutlich unter dem Zielwert von eins
liegen. Das LUE System erreicht in der günstigsten Konfiguration
bei n=2000 1/min 42 % und bei n=4000 1/min 55 % höhere Werte. Im
Schichtladebetrieb wird bei n=2000 1/min und pmi=3bar mit dem
HDE-System ein spezifischer Verbrauch (bi) von 218 g/kWh
(Zielwert bi=235 g/kWh), eine HC-Emission (HCi) von 11,5 g/kWh
(Zielwert HCi=13 g/kWh) und SZ=0,07 (Zielwert SZ=0,1) erreicht.
Mit dem LUE-System werden für bi ca. 11%, für HCi ca. 50% höhere
Werte erreicht und überschreiten die festgelegten Zielwerte,
wobei SZ=0,1 genau den Zielwert erreicht. Die guten mit dem
HDE-System erzielten Resultate werden ohne zusätzliche
Kanaleinbauten wie Tumblebleche und einem niedrigem
Einspritzdruck von 50 bar erreicht. Somit konnte nachgewiesen
werden, daß es möglich ist, ein ottomotorischen Brennverfahren
mit Direkteinspritzung darzustellen, das sich in der
aufgeladenen Vollast wie auch im Schichtladebetrieb durch
geringe Emissionen und günstige spezifische Verbräuche auszeichnet.