Titelaufnahme

Titel
Untersuchung des Phänomens der Vorentflammung bei der ottomotorischen Verbrennung zur Bestimmung von Einflussfaktoren und von Auslösemechanismen / von Markus Kieberger
VerfasserKieberger, Markus
Begutachter / BegutachterinGeringer, Bernhard ; Winter, Franz
Erschienen2012
UmfangXI, 144 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2012
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)irreguläre Verbrennung / Vorentflammung / Aufladung / Glühzündung / Reaktionskinetik
Schlagwörter (EN)irregular combustion / pre ignition / super charging / glow ignition / reaction kinetics
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-59749 Persistent Identifier (URN)
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Untersuchung des Phänomens der Vorentflammung bei der ottomotorischen Verbrennung zur Bestimmung von Einflussfaktoren und von Auslösemechanismen [2.58 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Forderung, den Kraftstoffverbrauch sowie den CO2-Ausstoss von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, hat in den letzten Jahren den Trend zu hubraumreduzierten direkteinspritzenden aufgeladenen Ottomotoren, sogenannten Downsizingmotoren, forciert. Diese Motoren werden aufgrund ihrer Auslegung vermehrt bei hohen Lasten bzw. an der Volllast betrieben. Aufgrund der erhöhten spezifischen Belastung der Triebwerke nehmen die Herausforderung hinsichtlich der Stabilität der Verbrennung sowie die Bedeutung von Verbrennungsanomalien zu. Neben dem irregulären Verbrennungstyp Klopfen tritt bei diesen Motoren das Phänomen der Vorentflammung in den Vordergrund. Trotz zahlreicher Untersuchungen des Phänomens der Vorentflammung sind bis heute die Ursachen für das Auftreten nicht endgültig geklärt.

Bekannt ist hingegen eine Vielzahl an Hypothesen. In der vorliegenden Arbeit wird das Phänomen der Vorentflammung am Ottomotor zur Bestimmung von Abhilfemaßnahmen näher beleuchtet. Mittels Durchführung von Untersuchungen am Motorprüfstand, 1D Ladungswechselsimulationen und Simulationen zur Bestimmung der chemischen Reaktionsmechanismen konnten verschiedene Einflussfaktoren und Auslösemechanismen bestimmt werden.

Die optimale Abstimmung der Einlasssteuerzeit bewirkte die signifikante Reduzierung der Vorentflammungsneigung und ebenfalls die Anhebung des erzielbaren Mitteldruckniveaus. Aufbauend auf den erworbenen Ergebnissen wurde weiteres Verbesserungspotenzial durch die Modifikation der Auslasssteuerzeit aufgezeigt. Beide Maßnahmen bewirken jeweils die Beeinflussung des Ladungswechsels mit einer Reduktion der internen Restgasrate. Die externe gekühlte Abgasrückführung wirkte ebenfalls stark vorentflammungshemmend und erlaubte eine deutliche Anhebung des erzielbaren Mitteldruckniveaus. Das Auftreten von Hot Spots konnte durch Einsatz optischer Videobeobachtung aufgezeigt und durch die konstruktive Änderung des Brennraumes signifikant gemindert werden. Die vollständige Entschärfung der Hot Spot-Bildung wurde aber am Versuchsträger nicht erreicht. Eine deutliche Herabsetzung der Vorentflammungsneigung konnte ebenfalls durch die Verwendung von Premium-Kraftstoffen und Kraftstoffen mit biogenen Anteilen erzielt werden. Die Untersuchung des Einflusses sowie eine mögliche Klassifizierung anhand der bekannten Kraftstoffgröße Research-Oktanzahl standen dabei im Vordergrund. Als sehr wirkungsvoller und vorentflammungshemmender Kraftstoffbestandteil erwies sich Ethanol.

Durch gezielte Untersuchungen am Motorprüfstand und den Einsatz der 1D-Ladungswechselsimulation konnten Einflussfaktoren und durch Zuhilfenahme der Simulation der chemischen Reaktionsmechanismen Entstehungsmechanismen des Phänomens der Vorentflammung aufgezeigt werden. Die Ergebnisse und Erkenntnisse ermöglichen das Auftreten von Vorentflammungen im Verbrennungsmotor zu höheren Aufladegraden zu verschieben und den Downsizinggrad weiter zu steigern. Damit kann weiteres Potenzial zur Verbrauchseinsparung durch Downsizing generiert werden.

Zusammenfassung (Englisch)

The requirement to reduce fuel consumption as well as CO2 emissions of vehicles has forced the trend to SI engines with reduced displacement, direct injection and turbo charging, so called downsizing engines, in the last years. By reason of the layout design these engines are increased operated at high load respectively at full load. Due to the increased specific load on the engine the challenge for stable combustion as well as the impact of combustion abnormality rises. In addition to the irregular combustion knock the phenomenon pre ignition comes to the fore.

In spite of several investigations to the phenomenon pre ignition reasons for occurrence are not finally clarified till this day. Common is a multiplicity of hypothesis. In this thesis the phenomenon of pre ignition at SI-engine is pointed out for the determination of corrective measures. Influence factors and release mechanism could be determined by the execution of investigations on the engine test bench, 1D gas exchange simulations and simulations to determine chemical reaction mechanism.

An optimal adjustment of the intake valve timing caused a decrease of pre ignition tendency and an increase of the reachable mean effective pressure level of the engine. Further potential could be disclosed by the change of the exhaust valve timing. Both measures in common are the change of the gas exchange, which is to be mentioned as the cause of improvement. External cooled exhaust gas recirculation acted strongly pre ignition retardant and permitted the increase of the reachable mean effective pressure. The occurrence of hot spots was identified by optical video observation and is clearly decreased by constructional modification of the combustion chamber. A complete deactivation of hot spots in the engine was not reached. By the application of several fuels a considerable reduction of pre ignition tendency could be achieved. At the fore was the investigation of the influence of the research octane number as well as the classification based on the known size of fuel.

Ethanol proved to be a very effective and pre ignition inhibitive fuel component.

By Investigations on the engine test bench and 1D gas exchange simulations, Influence factors and by simulations to determine chemical reaction mechanism release mechanism could be pointed out. The results give the opportunity to shift the occurrence of pre ignition events to higher degrees of supercharging and to rise the degree of downsizing.

For this reason further potential to reduce fuel consumption can be reached by downsizing.