Experimentelle und numerische Untersuchung zur Ausweitung des Betriebsbereiches der homogenen kompressionsgezündeten Verbrennung mit unterschiedlichen Restgasstrategien.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel und Aufgabe dieser Arbeit war es, die Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen zur Reduzierung der Stickoxidemissionen mit kontrollierter Selbstzündung in höheren Lastbereichen zu untersuchen und somit das Betriebskennfeld zu erweitern, in dem die kontrollierte Selbstzündung als sinnvolles Brennverfahren eingesetzt werden kann. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Untersuchung der externen Abgasrückführung. Neben der konventionellen, homogenen Abgasrückführung galt es das Potenzial einer geschichteten Abgasrückführung, also einer gezielten Inhomogenisierung des extern rückgeführten Abgases mit hohen Abgaskonzentrationen in den äußeren Bereichen des Brennraums und geringen Abgaskonzentrationen im zentralen Brennraumbereich zur Erhöhung der AGR-Verträglichkeit, zu analysieren. Aufgrund der Tatsache, dass der Einfluss des Zündfunkens bei kontrollierter Selbstzündung mit zunehmender Last und damit geringer werdender Verdünnung zunimmt, lässt diese Art der Abgasschichtung bei hohen Lasten großes Potenzial hinsichtlich der Verträglichkeit extern rückgeführten Abgases erwarten. Neben der Reduzierung der Stickoxidemissionen verspricht die geschichtete externe Abgasrückführung außerdem eine Verringerung der maximalen Druckanstiegsgeschwindigkeiten. Den Untersuchungen mit Abgasrückführung gingen weitreichende, grundlegende Untersuchungen zum allgemeinen Verständnis dieses komplexen Brennverfahrens voraus. Diese wurden in einem Lastschnitt von pmi = 1,0 bar bis pmi = 7,0 bar bei n = 2000 min-1 durchgeführt. Zunächst wurden die Ein- und Auslasssteuerzeiten getrennt variiert, um somit einen wirkungsgradoptimalen Betrieb zu gewährleisten und grundlegende Abhängigkeiten zu analysieren. Eine Frühverschiebung der Steuerzeit "Einlass öffnet" führt zu einem Rückströmen von zurückgehaltenem Restgas in die Einlasskanäle. Bei nahezu konstanter Restgasmasse wird die Temperatur des Restgases somit gesenkt, was zu einer Spätverlagerung der Verbrennungsschwerpunktlage führt. Dies kann bei höheren Lasten zur Darstellung höherer Restgasraten ohne Frühverlagerung der Verbrennungsschwerpunktlage und somit zur Reduzierung der Stickoxidemissionen genutzt werden. Die interne Restgasmenge (und somit die Temperatur zu Kompressionsbeginn) wird bei der hier dargestellten Strategie der Abgasrückhaltung primär durch die Lage der Steuerzeit "Auslass schließt" bestimmt. Demnach stellt diese Größe den entscheidenden Parameter zur Steuerung der Verbrennungsschwerpunktlage dar. Messungen mit der schnellen Gasentnahme-Technik zeigen, dass mit dieser Strategie die zur Bereitstellung der Selbstzündbedingungen notwendigen, hohen internen Restgasraten von bis zu 70 % bei geringen Lasten problemlos dargestellt werden können. Der Zündzeitpunkt gewinnt mit steigender Last und somit abnehmender Verdünnung der Zylinderladung mit Restgas immer mehr an Bedeutung. Ab einer Last von ca. pmi = 4 bar kann mit diesem Parameter die Verbrennungsschwerpunktlage nachhaltig beeinflusst werden. Nicht nur die Verbrennungsschwerpunktlage, sondern auch der Reaktionsfortschritt wird durch den Energieeintrag des Zündfunkens beeinflusst. Beim Betrieb ohne Zündfunkenunterstützung gibt es zwar bevorzugte Regionen im Brennraum, in denen die Selbstzündung beginnt, der Zündort variiert hingegen von Zyklus zu Zyklus. Bei einigen Zyklen treten sogar Selbstzündungen an mehreren Zündorten simultan auf. Die aufeinander zulaufenden Reaktionsfronten führen dann zu einer ausgesprochen hohen Umsatzgeschwindigkeit und damit zu hohen Druckanstiegsgeschwindigkeiten. Der Ort der Selbstzündung kann beim Betrieb mit Zündfunkenunterstützung durchaus unabhängig von den an der Zündstelle initiierten Vorreaktionen sein. Jedoch ist durch optische Messungen gezeigt worden, dass durch die Vorreaktionen der Reaktionsfortschritt in den zentralen Brennraumbereich, relativ unabhängig vom Ort der Selbstzündung, fortschreitet und damit die zyklischen Schwankungen des indizierten Mitteldrucks abnehmen. Der Zündzeitpunkt stellt neben dem Einspritzbeginn insbesondere für eine zylinderselektive Regelung der Verbrennungsschwerpunktlage bei höheren Lasten einen wichtigen Parameter dar. Mit steigender Last muss der interne Restgasgehalt gesenkt werden, um zum einen beim Saugmotor die benötigte Frischluftmasse ansaugen zu können und zum anderen eine wirkungsgradoptimale Verbrennungsschwerpunktlage darzustellen. Die geringere Verdünnung der Zylinderladung führt unter anderem zu steigenden Stickoxidemissionen. Ab einer bestimmten Last werden deshalb auch hier sekundäre Maßnahmen zur Reduzierung der Stickoxidemissionen notwendig. Dazu müsste eine magere Abgasnachbehandlung erfolgen oder der Motor stöchiometrisch betrieben werden. Zur Realisierung des stöchiometrischen Betriebs ohne Drosselung der Frischluftzufuhr kommt eine Steigerung der internen Restgasrate nicht in Betracht, da dies zu einer starken Frühverlagerung der Verbrennungsschwerpunktlage führt. Eine Androsselung zur Reduzierung der Frischluftmasse verschlechtert den Wirkungsgrad. Die externe, gekühlte Abgasrückführung stellt hier eine geeignete Maßnahme zum einen zur Reduzierung der maximalen Druckanstiegsgeschwindigkeiten und zum anderen zur Darstellung eines stöchiometrischen Betriebs dar. Die kontrollierte Selbstzündung verhält sich allerdings sehr sensibel gegenüber des extern rückgeführten Abgases. Demnach müssen Parameter wie Einspritzbeginn, Zündzeitpunkt und Ventilsteuerzeiten exakt angepasst werden. Mit zunehmender externer AGR-Rate muss die Verbrennungsschwerpunktlage nach früh verlegt werden. Hierfür haben sich der Zündzeitpunkt in Kombination mit dem Einspritzbeginn als geeignete Parameter herausgestellt. Mit homogener externer AGR kann bei höheren Lasten stöchiometrischer Betrieb dargestellt werden. Die Stickoxidemissionen werden dadurch nachhaltig reduziert, jedoch steigen sowohl der indizierte spezifische Kraftstoffverbrauch als auch die zyklischen Schwankungen des indizierten Mitteldrucks an. Die spezifischen CO-Emissionen nehmen mit zunehmender externer AGR aufgrund unvollständiger Verbrennung zu. Das zurückgehaltene Restgas weist eine homogene Verteilung im Brennraum auf. Mit der geschichteten externen Abgasrückführung wird eine inhomogene Verteilung des extern rückgeführten Abgases realisiert. Die hier dargestellte Strategie ermöglicht eine Schichtung des extern rückgeführten Abgases entlang einer Ebene senkrecht zur Kurbelwellenachse mit hohen Abgaskonzentrationen in dem in Strömungsrichtung rechts liegenden Bereich des Brennraums und geringen Konzentration im zentralen Brennraumbereich. Es konnte gezeigt werden, dass aufgrund der geringen Einlassventilhübe keine ausgeprägte Brennrauminnenströmung erzeugt wird. Dies ist für die Schichtung des extern rückgeführten Abgases von Vorteil, da die Vermischung von Frischgemisch und extern rückgeführtem Abgas gering bleibt, jedoch kann durch die fehlende großskalige Brennrauminnenströmung keine Ladungsbewegung z.B. zur besseren Gemischbildung genutzt werden. Durch die Schichtung des Abgases werden folglich die Vorreaktionen, die durch den Zündfunken eingeleitet werden, in geringerem Maße als mit homogener externer AGR beeinflusst. Die entstehenden Vorreaktionen führen ausgehend von der Zündstelle zu einer Temperaturerhöhung, die sich ähnlich einer sphärischen Reaktionsfront, allerdings mit viel geringerer Ausbreitungsgeschwindigkeit, fortpflanzt. Die Selbstzündung in den äußeren Brennraumbereichen, wie sie auch bei Betriebspunkten ohne externe AGR zu beobachten ist, tritt aufgrund der höheren Konzentration der externen AGR verzögert ein. Durch die kontrollierte Selbstzündung kommt es auch bei hohen externen AGR-Raten zu einer hohen Umsatzrate. Demnach kann für alle hier untersuchten Lasten bis zu externen AGR-Raten, mit denen stöchiometrischer Betrieb dargestellt wird, ein nahezu verbrauchsneutraler Betrieb realisiert werden. Sowohl die Stickoxidemissionen als auch die Druckanstiegsgeschwindigkeiten werden hierdurch nachhaltig gesenkt. Beispielsweise wird bei der Last pmi = 6 bar und n = 2000 min-1 eine maximale externe AGR-Rate von 17 % erreicht, mit der stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis vorliegt. Der indizierte spezifische Kraftstoffverbrauch steigt im Gegensatz zum mageren Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung und ohne externe AGR lediglich um 1,2 % von 219 g/kWh auf 222 g/kWh an. Die spezifischen NOX-Emissionen werden dabei um 55 %, und die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit von 8,2 bar/°KW auf 3,7 bar/°KW reduziert. Der Variationskoeffizient des indizierten Mitteldrucks liegt unter 3 %. Im Vergleich zur konventionellen Flammenfrontverbrennung kann der spezifische Kraftstoffverbrauch um 5 % reduziert werden, die Stickoxidemissionen verringern sich um 80 %. Es zeigt sich, dass eine inhomogene Verteilung des extern rückgeführten Abgases in Kombination mit der kontrollierten Selbstzündung einen möglichen Ansatz zur stickoxidarmen Verbrennung bei höheren Lasten und gleichzeitig niedrigem Kraftstoffverbrauch darstellt. Dies zeigt, dass trotz der jahrzehntelangen Entwicklung des Verbrennungsmotors unter anderem mit neuen Brennverfahren und Analysemethoden Potenziale zur gleichzeitigen Reduzierung der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs erschlossen werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Auswirkungen einer gezielten Inhomogenisierung der externen AGR durch den Ladungswechsel bei neuen Brennverfahren, MTZ Tagung Ladungswechsel, 2008
Spicher U., Sarikoc F., Hensel S., Kubach H.
