Betriebspunktorientierte Analyse und Optimierung der Partikelrohemissionen an einem turboaufgeladenen Ottomotor

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen innermotorischer Einflussgrößen auf die Partikelemssionen eines abgasturboaufgeladenen Ottomotors mit vollvariablem Ventiltrieb. Im Fokus stand dabei die Analyse der Partikelquellen sowie die Ableitung möglicher Abhilfemaßnahmen zu deren Reduktion. Zu Beginn wurden anhand aktueller Fahrzyklen die kritischen Fahrzustände erarbeitet. Es zeigte sich, dass zum einen hochlastige Betriebspunkte bei gleichzeitig hohen Motordrehzahlen zu einem starken Partikelanstieg führten. Im stationären Motorbetrieb wurde hierbei die Injektordiffusionsflamme als Hauptpartikelquelle ausgemacht. Zum anderen stellt auch der transiente Motorbetrieb eine Herausforderung dar. Aufgrund wechselnder Brennraum- und Oberflächentemperaturen treten neben der Injektordiffusionsflamme, je nach Betriebsart, zum Teil im gesamten Brennraum Diffusionsflammen auf, welche im Weiteren zu Rußpartikeln führen. Wie der weitere Verlauf der Arbeit zeigen wird, stellt das Einspritzsystem eine maßgebliche Einflussgröße auf die Gemischaufbereitung des Kraftstoffes und die Entstehung der Partikelemissionen dar. So wurde für die mittlerweile technisch weitverbreitete Hochdruck- Direkteinspritzung eine tiefergehende Analyse in Bezug auf die Injektordiffusionsflamme durchgeführt. Dabei wurde mittels laseroptischer Methoden der Kraftstofffilm auf der Injektorkuppe visualisiert, welcher für die Rußflamme verantwortlich ist. In der Einspritzkammer und am optischen 1-Zylinder Aggregat konnte vor allem der signifikante Einfluss des Einspritzdruckes, aber auch der Einspritzdauer auf die Oberflächenbenetzung der Injektorkuppe nachgewiesen werden. Motorische Untersuchungen bestätigten diese Ergebnisse und zeigten ein zusätzliches Potential durch eine Anhebung der Injektorkuppentemperatur. Ausgehend von dieser Basis wurde das bestehende Einspritzsystem an dem verwendeten 4-Zylinder Vollmotor um ein System der Direkten-Wasser-Einspritzung und der Kraftstoff-Niederdruck-Einspritzung erweitert. Die Wassereinspritzung, welche im Detail eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion darstellt, bietet den Vorteil, dass auf die bei Ottomotoren übliche Kraftstoffanfettung verzichtet werden kann. Die Kraftstoffniederdruck- Einspritzung zeigt durch die verlängerte Gemischaufbereitungszeit und kürzeren Einspritzzeiten am Hochdruckinjektor auch nachweisliche Partikelvorteile im aufgeladenen Motorbetrieb. Die Synergie aus der direkten Emulsion-Hochdruck und der Kraftstoff- Niederdruck-Einspritzung stellt bei den durchgeführten Untersuchungen mit einer Reduktion von 90% der Partikelanzahl- und Partikelmassenemissionen ein Optimum für den stationären Motorbetrieb dar. Im transiente Fahrbetrieb wird aufgezeigt, dass vor allem die Brennraumoberflächentemperaturen von entscheidender Bedeutung für die Entstehung von Partikelemissionen sind. So kann nach dem Kaltstart im Warmlauf durch eine korrekte Wahl der Einspritzstrategie, gepaart mit kurzen Einspritzzeiten, die Kraftstoffbenetzung des Kolbens vermieden werden. Auch mit der Kraftstoffniederdruck-Einspritzung kann das Partikelniveau herabgesenkt werden, was durch endoskopische Highspeed-Kameraaufnahmen während einer Volllastbeschleunigung bestätigt wird. Die Arbeit zeigt auf, dass je nach Motorkonzept und verbautem Einspritzsystem verschiedene Partikelquellen dominieren und diese durch eine geeignete Wahl der Einspritzparameter reduziert und zu hohen Teilen vermieden werden können.