Untersuchung der Selbstzündung und Verbrennung homogener Gemische in Ottomotoren(HCCI)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Vor dem Hintergrund verschärfter Abgasgesetzgebung bei gleichzeitiger Forderung nach einer Verringerung des Kraftstoffverbrauches besteht im Bereich der Fahrzeugantriebe ein zunehmendes Interesse an alternativen motorischen Brennverfahren mit extrem niedrigen Rohemissionen bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Ein besonders hohes Potenzial wird hierbei dem Verfahren der homogenen selbstgezündeten Verbrennung (HCCI) zugeschrieben, bei dem ein mageres homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder bis zur Selbstzündung verdichtet wird. Dies führt zu einem nahezu gleichzeitigen Umsatz der gesamten Zylinderladung in verteilten Niedertemperaturreaktionen. Aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus bei der Umsetzung des Magergemisches entstehen nur sehr geringe NOx-Rohemissionen, die deutlich unter denen der konventionellen Brennverfahren liegen. Gleichzeitig nähert sich der Prozess aufgrund der schnellen Umsetzung dem idealen Gleichraumprozess, so dass auch bei Teillast hohe Wirkungsgrade zu erwarten sind. Die homogene Verbrennung in Viertaktmotoren konnte in ersten Forschungsarbeiten bisher nur in einzelnen Betriebspunkten bzw. sehr schmalen Kennfeldbereichen dargestellt werden. Ein passendes Steuerkonzept zur Kontrolle der Verbrennung in einem größeren Kennfeldbereich lag bisher jedoch nicht vor. Dies ist zu einem erheblichen Teil darauf zurückzuführen, dass fast ausschließlich isolierte Einzeluntersuchungen ohne systematische Variation der die Selbstzündung beeinflussenden Parameter durchgeführt wurden, die im praktischen Motorbetrieb für eine Regelung zur Verfügung stehen. Aus demselben Grund liegen bisher kaum geeignete Modelle zur Simulation und Vorausberechnung von Motoren mit homogener Verbrennung vor. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden in einem ersten Schritt Grundlagenuntersuchungen zur detaillierten konstruktiven Auslegung des Versuchsträgers für die Realisierung des Arbeitsverfahrens der homogenen kompressionsgezündeten Verbrennung durchgeführt. Auf der Basis dieser Vorauslegung erfolgte der Aufbau und die Inbetriebnahme des Versuchsträgers mit der erforderlichen Messtechnik auf einem für dieses Vorhaben weitestgehend neu eingerichteten thermodynamischen Motorenprüfstand. Anschließend wurden die einzelnen Einflussgrößen auf die homogene kompressionsgezündete Verbrennung systematisch untersucht. Daraus konnten gesicherte Informationen zum Einfluss von Luftverhältnis, Gemischhomogenität und Art der Gemischaufbereitung (Saugrohr- bzw. Direkteinspritzung), Restgasanteil und -Verteilung (räumlich), Zylinderfüllung, Ladungstemperatur und Temperaturverteilung auf die Zündeinleitung und Verbrennung gewonnen werden. Hierzu erfolgte eine eingehende Untersuchung der innermotorischen Vorgänge mittels Druckindizierung, schneller Gasentnahme und zeitlich aufgelöster HC-Bestimmung im Brennraum sowie mit Hilfe optischer Messtechnik. Für die letztgenannte Untersuchung kam ein neuartiges Lichtleiter-Visualisierungssystem zum Einsatz, das eine zeitlich hochaufgelöste optische Aufnahme einzelner Verbrennungszyklen erlaubt und damit Rückschlüsse auf die Zündeinleitung und den Verbrennungsablauf zulässt. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen erfolgte die Modellierung des Ladungswechsels und der Gemischbildung unter Einsatz von ein- und dreidimensionalen numerischen Berechnungsprogrammen. Anhand dieser Ergebnisse konnte ein Steuerkonzept für die HCCI-Verbrennung in einem größeren Betriebskennfeld umgesetzt werden.
