Ottomotorische Magerbrennverfahren: NOx- und partikelarme Verbrennung durch neue Zünd- und Einspritzkonzepte

Berndt, Franz

Die EU strebt eine Senkung der CO2-Flottenemissionen auf 95 g/km an. Zusätzlich wird mit der Euro 6 Gesetzgebung erstmals die erlaubte Partikelanzahl für direkteinspritzende Ottomotoren begrenzt. Um diese Anforderungen zu erreichen, müssen alle technischen Möglichkeiten zur Verbesserung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen ausgeschöpft werden. Die effektivste Einzelmaßnahme zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei Ottomotoren stellt ein Betrieb mit Luftüberschuss dar. Neben dem mageren Betrieb mit geschichteter Ladung bergen teilgeschichtete oder rein homogene Brennverfahren bis über die saugmotorische Volllast hinaus Verbrauchsvorteile und die Möglichkeit geringere Partikel als im stöchiometrischen Betrieb zu emittieren. Damit dabei eine magere Abgasnachbehandlung möglichst wenig belastet wird, ist es entscheidend, dass minimale NOx-Rohemissionen erzeugt werden. Bei Luftverhältnissen größer 1,1 sinken Stickoxide aufgrund verringerter Spitzentemperaturen rasch ab. Um eine effiziente sowie robuste Verbrennung auch bei extremen Verdünnungsraten zu erhalten, wurden in dieser Arbeit die Einflüsse von Direkteinspritzung, Hochfrequenzzündung sowie Ladungsbewegung untersucht. Hierfür stehen eine Koronazündanlage und ein 1000 bar-fähiges Einspritzsystem zur Verfügung. Messungen in der Teillast zeigen, dass durch Kraftstoffdrucksteigerungen bis 1000 bar die Partikelemissionen signifikant reduziert werden können. Die Hochfrequenzzündung ermöglicht die Verbesserung des Zündprozesses durch eine großvolumige Koronaentladung und erreicht deutlich höhere Abmagerungsraten. Mit einer richtig positionierten Minimalmengeneinspritzung kurz vor Zündzeitpunkt, erhöhter Ladungsbewegung und frühen Verbrennungslagen ist es möglich sehr magere Grundgemische sicher zu zünden (>Lambda 2,5). Bei Hochlastuntersuchungen steht als zusätzliche Zielgröße Klopfverhalten im Vordergrund. Durch Einsatz der Hochfrequenzzündung kann wegen eines kürzeren Brennverzuges mit kleineren zyklischen Standardabweichungen die Klopfneigung stark verringert werden. Dieser Effekt macht sich vor allem bei erschwerten Zündbedingungen im Mageren positiv bemerkbar. Insgesamt stellt der Magerbetrieb im gesamten Kennfeld erhöhte Anforderungen an Entflammung und Verbrennung. Durch ein erweitertes Verständnis und die Anwendung der betrachteten Einflussgrößen wird die Verbrennung sehr magerer Gemische effektiver und robuster, wodurch die Zielgrößen CO2, Partikel und Stickoxide gleichzeitig gesenkt werden können.

The EU is aiming to achieve a reduction of CO2-fleet emissions to an average of 95 g/km. Additionally there is for the first time a demand for a restriction of the emitted particle number of DI gasoline engines in the Euro 6 legislation. In order to achieve those requirements, all technical possibilities to improve fuel consumption and emissions need to be exploited. The most effective way to reduce the fuel consumption in gasoline engines is an operation under lean conditions. Besides the possibility to run an engine lean with stratified charge, partly stratified or homogeneous lean operation have fuel consumption potential beyond the limit of natural aspiration. Those operation strategies also offer the possibility of reduced particle emissions compared to stoichiometric operation. In order to put the least possible strain on lean exhaust after-treatment systems it is critical to produce minimal NOx-raw emissions. With air-fuel ratios larger than 1,1 NOx is successively decreasing. In order to achieve efficient and robust combustion in extremely diluted mixtures the influences of direct injection, high frequency ignition and increased in-cylinder air motion were investigated, using a corona ignition system and an injection system capable of supplying fuel pressures of up to 1000 bar. Part load measurements show that an increased fuel pressure of up to 1000 bar can reduce particle emissions significantly. The high frequency ignition system improves the ignition process with its large volume corona discharge and allows much higher charge dilution. With the injection of a correctly positioned minimal fuel quantity close to ignition timing, increased charge motion and early combustion phasing very lean mixtures can be ignited safely (>Lambda 2,5). For investigations of high load operation, a reduced knocking behaviour is an additional target. With the use of the high frequency ignition system, knocking can be significantly reduced due to a shorter ignition delay and lower cyclic fluctuations. This effect is especially beneficial when ignition is more difficult due to lean operation. Overall the demands on ignition and combustion for lean engine operation are drastically increased in the whole engine map. Due to an extended understanding and the application of the parameters analysed in this thesis the combustion of very lean mixtures can be more efficient and robust. This allows a simultaneous improvement of the target values CO2, particles and nitro-oxides.

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Berndt, Franz: Ottomotorische Magerbrennverfahren: NOx- und partikelarme Verbrennung durch neue Zünd- und Einspritzkonzepte. 2015.

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