System- und Komponentenanalyse für hohen thermodynamischen Wirkungsgrad beim Ottomotor

Heikes, Henning

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Identifikation und Bewertung verschiedener wirkungsgradsteigernder Maßnahmen am Downsizing-Ottomotor. Ziel ist die Entwicklung einer geschlossenen Methodik zur objektiven Bewertung diverser Verbrauchsmaßnahmen unter Berücksichtigung des tatsächlich auftretenden Lastkollektivs und die Anwendung dieser Methodik für verschiedene Verfahrensweisen zur Optimierung eines hochaufgeladenen homogenen otto-motorischen Brennverfahrens. Zu diesem Zweck wird eine bestehende kinematische Zyklussimulation um eine innermotorische Verlustteilung erweitert, um detaillierte Rückschlüsse auf die Verlustquellen am Downsizing-Ottomotor zu ziehen. Die dargestellten Untersuchungen werden sowohl am Einzylinder- als auch am turboaufgeladenen 1,2l-Dreizylinder-Vollmotor durchgeführt und durchgängig mittels 0d-Analyse und 1d-Strömungssimulation begleitet. Mithilfe der entwickelten Zyklusverlustteilung werden diverse Maßnahmen unter Berücksichtigung ihrer Auswirkungen auf das Gesamtsystem in Hinsicht auf ihre Wirkungsgradpotenziale bewertet. Zunächst werden mit interner und externer Abgasrückführung, homogenem Magerbetrieb und spätem Einlassschließen verschiedene Möglichkeiten zur Entdrosselung betrachtet. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Optimierung des Verdichtungsverhältnisses hochaufgeladener Ottomotoren dar, da hier infolge der erhöhten Klopfneigung Einschränkungen im Vergleich zu Saugmotoren bestehen. Zu diesem Zweck werden verschiedene Verdichtungen und deren Kombination mit klopfreduzierenden Maßnahmen beleuchtet. Neben dem späten Einlassschließen wird eine gekühlte externe Abgasrückführung mit einer Entnahme vor und nach 3-Wege-Katalysator untersucht. Besonderes Augenmerk wird im Zusammenhang mit der Verdichtungsanhebung auf die notwendige Zündspannung gelegt, da diese mit steigender Dichte im Brennraum zunimmt. Anhand der durchgeführten Messungen wird eine empirische Berechnungsformel zur Bestimmung des Zündspannungsbedarfs in Abhängigkeit der Dichte zum Zündzeitpunkt und des Elektrodenabstandes der Zündkerze aufgestellt. Als Maßnahme zur Beeinflussung des Realverbrauches bei hohen Fahrgeschwindigkeiten werden zwei Möglichkeiten zur Reduktion des Anfettungsbedarfs untersucht: zum Einen eine gekühlte Abgasrückführung und zum Anderen die Verwendung eines Turboladers mit erhöhter zulässiger Turbineneintrittstemperatur.

This work addresses the identification and evaluation of different measures for the improvement of the thermodynamic efficiency on spark-ignited Downsizing-engines. Target is the development of a closed methodology for an objective evaluation of different fuel consumption measures with a consideration of the actual occurring load spectrum and the application of this methodology for certain approaches for the optimization of a highly charged homogeneous combustion process. For this purpose a thermodynamic split of losses is integrated into an existing kinematic cycle simulation in order to draw detailed conclusions about the sources of losses in a downsized engine. The presented examinations were executed both on a single cylinder engine and a turbocharged 1.2 liter three cylinder engine and have continuously been accompanied by 0d-analysis and 1d-fluid dynamics simulations. Using the developed cycle split of losses different measures are evaluated according to their potential for the efficiency taking into account the impact on the complete system of vehicle, drive train and engine. With internal and external exhaust gas recirculation, homogeneous lean combustion and late intake valve closing different methods for a de-throttling of the engine are examined. Another key aspect is the optimization of the compression ratio of charged engines as there are limitations as a consequence of the increased knock affection compared to natural aspirated engines. For this purpose different compression ratios and their combination with knock reducing measures are investigated. Besides a late intake valve closing a cooled external exhaust gas recirculation with an extraction of the exhaust before and after three-way catalyst is tested. A main focus in combination with the higher compression ratios was put on the ignition voltage demand as this is increasing with rising density in the combustion chamber. With the help of the conducted measurements an empiric formula for the determination of the ignition voltage demand dependent on the charge density and the electrode gap distance is derived. As a measure to influence the fuel consumption at high vehicle speeds two possibilities for the reduction of the fuel enrichment are examined: on the one hand side a cooled exhaust gas recirculation and on the other hand side the application of a turbocharger with increased maximum admissible turbine inlet temperature.

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Heikes, Henning: System- und Komponentenanalyse für hohen thermodynamischen Wirkungsgrad beim Ottomotor. 2014.

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