Erschließung von Wirkungsgradpotenzialen aufgeladener Ottomotoren mittels Ladungsverdünnung

Nitschke, Hannes

In der vorliegenden Arbeit werden die Wirkungsgradpotenziale einer Ladungsverdünnung mit Abgas betrachtet. Die Anwendung dieser Technologie erfolgt dabei an einem aufgeladenen Ottomotor mit geringem Hubraum zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Die Bewertung beruht hauptsächlich auf der Grundlage einer nulldimensionalen Brennverfahrensanalyse messtechnisch erfasster Daten. Zunächst werden die zwei Möglichkeiten zur Ladungsverdünnung, die Zumischung von Luft und Abgas zur Ansaugluft, vorgestellt und miteinander verglichen. Aus der Abwägung von Vor- und Nachteilen geht die Abgasrückführung als das favorisierte und im weiteren Verlauf näher betrachtete Konzept hervor. In der oberen Teillast und Voll-Last ist die gekühlte externe Abgasrückführung Erfolg versprechend. Hierbei wird einzeln auf die Verluste durch reale Schwerpunktlage, reale Kalorik sowie reale HC- und CO-Emissionen eingegangen. In der unteren und mittleren Teillast konkurrieren die Konzepte der internen und externen Abgasrückführung miteinander. Es sind in diesem Lastbereich vor allem die Auswirkungen der Abgasrückführung auf die Verluste durch Ladungswechsel, realen Brennverlauf, reale Kalorik sowie reale HC- und CO-Emissionen von Interesse. Aus den Betrachtungen in der Voll-Last des Motors geht die Aufladung als das begrenzende Element des Wirkungsgradpotenzials durch eine Ladungsverdünnung mit Abgas hervor. Aus diesem Grund erfährt das Thema eine besondere Aufarbeitung. Zum einen werden die Ursachen für die verschärften Anforderungen an die Aufladeaggregate anhand einer theoretischen Abhandlung dargelegt. Zum anderen dient ein Vergleich unterschiedlicher Aufladekonzepte zum Aufzeigen der Dependenzen der Effizienz eines ladungsverdünnten Brennverfahrens in der Voll-Last von der Aufladung. Weiterhin ist ein Diskurs zur Motorkonfiguration bei einer Ladungsverdünnung mit Abgas ein elementarer Bestandteil der vorliegenden Arbeit. Hierbei werden erstmalig die Abhängigkeiten des effektiven Wirkungsgrades eines Ottomotors von wichtigen Auslegungsparametern für das Brennverfahren im Kontext einer Ladungsverdünnung mit Abgas diskutiert. Das sind im Einzelnen das Verdichtungsverhältnis, die durch die Einlasskanalgeometrie generierte Ladungsbewegung als auch die Kühlmitteltemperatur. Es lassen sich durch diese Untersuchungen Schlussfolgerungen auf grundlegende Kriterien zur wirkungsgradoptimalen Auslegung eines ladungsverdünnten Brennverfahrens ziehen.

In the present work the efficiency potential of a charge dilution with exhaust gas is considered. This technology is applied to a turbocharged SI-engine with small displacement for passenger car applications. The evaluation is mainly based on a zero-dimensional combustion analysis of measured data. First of all the two possibilities for the charge dilution, the admixture of air and exhaust gas to the intake air, are presented and compared to each other. From weighting advantages and disadvantages the exhaust gas recirculation is selected as the favored concept and will subsequently be considered in greater detail. In the high part load and full load the cooled external exhaust gas recirculation is promising. Emphasis is put to the losses due to real 50%-MFB-position, real calorifics as well as real HC- and CO-emissions. At lower and medium part load internal and external exhaust gas recirculation compete with each other. It is particularly the effects of the exhaust gas recirculation in this load range on the losses due to gas exchange, real burn function, real calorifics as well as real HC- and CO-emissions, which are of interest. The investigation at wide open throttle exhibit, that charging becomes the limiting factor for the efficiency potential of a charge dilution with exhaust gas. For this reason the topic gets a special assessment. On the one hand the causes for increased requirements for the charging units are explained by means of a theoretical discourse. On the other hand a comparison of different charging concepts is used to show the dependencies of the efficiency of the combustion process at full-load. Furthermore a discourse of the engine configuration at a charge dilution with exhaust gas is an elementary ingredient of the present work. Dependencies of the efficiency of a SI-engine on important layout parameters are discussed for the first time for the combustion process in the context of a charge dilution with exhaust gas. Parameters in detail are the compression ratio, the charge motion generated by the inlet port geometry as well as the coolant temperature. From these studies conclusions for basic criteria for an optimum layout with respect to efficiency of a SI-engine with charge dilution can be drawn.

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Nitschke, Hannes: Erschließung von Wirkungsgradpotenzialen aufgeladener Ottomotoren mittels Ladungsverdünnung. 2015.

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