Untersuchungen zum Wandwärmeübergangs- und Ablagerungsverhalten in Ottomotoren mit Direkteinspritzung und strahlgeführtem Schichtladebetrieb

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Die Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte bei weiterer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs stellt hohe Anforderungen an zukünftige Generationen von Verbrennungsmotoren. Ein besonders vielversprechendes Konzept zur gleichzeitigen Erfüllung beider Anforderungen stellt die homogen kompressionsgezündete Verbrennung dar, die mit der Abkürzung HCCI ( Homogeneous Charge Compression Ignition ) umschrieben wird. Bei diesem Brennverfahren wird eine weitestgehend homogene Mischung aus Luft, Kraftstoff sowie ggf. zurückgeführten Verbrennungsprodukten bis zur Selbstzündung verdichtet. Die Umsatzreaktionen setzen dann im gesamten Brennraum nahezu gleichzeitig ein, so dass sich im Gegensatz zur klassischen Ottoverbrennung keine Flammenfront ausbildet, sondern zahlreiche Niedertemperaturreaktionen ablaufen.Bei der experimentellen Untersuchung und Entwicklung neuer Brennverfahren wird der Zylinderdruck indiziert und anschließend analysiert. Aus dem gemessenen Druckverlauf lassen sich der thermodynamische Zustand im Brennraum und der Brennverlauf berechnen. Dabei wird der Wärmeübergang an den Brennraumwänden mit Hilfe von Wandwärmeübergangsmodellen bestimmt. Bisher wurden diese Modelle an klassischen Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung oder an Dieselmotoren empirisch ermittelt, weshalb sie u.a. Terme für den Verbrennungsfortschritt enthalten. Dadurch wird der Wärmeübergang bei der Analyse der homogen kompressionsgezündeten Verbrennung mit bisherigen Modellen nicht richtig wiedergegeben. Als Folge sind die Berechnungen des Brennverlaufs und des thermodynamischen Zustands im Zylinder mit Fehlern behaftet.Der Zeitpunkt der homogenen Selbstzündung hängt vom thermodynamischen Zustand im Brennraum und dessen zeitlichem Verlauf ab. Wesentliche motorische Einflussgrößen sind dabei der Einspritzbeginn und der Restgasanteil, der durch die Ventilsteuerzeiten beeinflusst wird. Um eine Selbstzündung zu gewährleisten werden die Ventilssteuerzeiten und der Zustand im Brennraum bei der Auslegung neuer Versuchsträger und in der Motorenentwicklung im Voraus mit Hilfe numerischer Simulation berechnet. Auch bei der Vorausberechnung wird der Wärmeübergang durch die bisher verwendeten Modelle fehlerhaft berechnet. Der daraus in der Berechnung des Ladungswechsels resultierende Fehler erschwert eine zuverlässige Auslegung der Ventilsteuerzeiten und damit auch die Einleitung und Kontrolle der Verbrennung.In dieser ersten Antragsphase soll der Wandwärmeübergang an einem Einzylinderaggregat im homogen kompressionsgezündeten Betrieb experimentell untersucht werden und als Grundlage für die Entwicklung eines Modells für dieses neue motorische Brennverfahren dienen. Dieser Wärmeübergangsansatz soll in nulldimensionalen thermodynamischen Motormodellen validiert und eingesetzt werden.Die während der Untersuchungen in den ersten zwei Antragsjahren gewonnenen Erkenntnisse sollen in einer weiteren Antragsphase dazu genutzt werden, das Modell weiter zu entwickeln und für das strahlgeführte DI-Brennverfahren mit Ladungsschichtung zu erweitern. Bei der Verwendung von Modellen, die an Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung entwickelt wurden, wird der Wandwärmeübergang auch bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung vor allem im geschichteten Betrieb fehlerhaft berechnet.