Fatih Sarikoc
(Fakultät für Maschinenbau Institut für Kolbenmaschinen)
Untersuchungen zur Reduzierung der Stickoxidemissionen bei modernen Brennverfahren für Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung

Ein hoher Prozesswirkungsgrad wird aus thermodynamischer Sicht primär durch hohe Verbrennungstemperaturen und einem hohen Luft-Kraftstoffverhältnis erreicht. Beide Faktoren begünstigen allerdings die Stickoxidbildung. Daraus ergibt sich ein Zielkonflikt, mit dem in Zukunft die Motorenentwickler verstärkt konfrontiert werden. Neben der angedachten Reglementierung der CO2-Emissionen wird der Rechtsrahmen zur Reduzierung der zur Zeit als schädlich eingestuften Abgaskomponenten durch strengere Abgasgrenzwerte weiter verschärft. Die externe Abgasrückführung ist eine wirkungsvolle Maßnahme zur Reduzierung der Stickoxidemissionen aufgrund der Inertgaseigenschaft des Abgases und den damit sinkenden Verbrennungsspitzentemperaturen. Mit zunehmender AGR-Rate verschlechtern sich allerdings die Entflammungs¬bedingungen und die Brenndauer steigt an. Dementsprechend ist die maximale AGR-Verträglichkeit bei der geschichteten Benzin-Direkteinspritzung durch abnehmende Laufruhe und erhöhten Kraftstoffverbrauch begrenzt. Die externe Abgasrückführung hilft ebenso bei der kontrollierten Selbstzündung, die Stickoxidemissionen bei höheren Lasten zu senken, wobei die kontrollierte Selbstzündung äußerst sensibel auf die Zugabe von externer AGR reagiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen zur Reduzierung der Stickoxidemissionen sowohl mit geschichteter Benzin-Direkteinspritzung und strahlgeführtem Brennverfahren als auch mit kontrollierter Selbstzündung untersucht. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Untersuchung der Abgasrückführung. Neben der konventionellen Abgasrückführung, bei der das rückgeführte Abgas homogen im Brennraum verteilt ist, galt es, das Potenzial einer geschichteten externen Abgasrückführung zur Erhöhung der AGR-Verträglichkeit sowohl bei geschichteter Benzin-Direkteinspritzung als auch bei kontrollierter Selbstzündung zu analysieren. Die Abgasschichtung stellt eine gezielte Inhomogenisierung des extern rückgeführten Abgases mit hohen Abgaskon¬zentrationen in den äußeren Bereichen des Brennraums und geringen Abgaskonzentrationen im zentralen Brennraumbereich dar. Aufgrund der Tatsache, dass der Einfluss des Zündfunkens bei kontrollierter Selbstzündung mit zunehmender Last und geringer werdender Verdünnung mit Restgas zunimmt, zeigt diese Art der Abgasschichtung bei hohen Lasten großes Potenzial hinsichtlich der externen AGR-Verträglichkeit. Dies führt zu einer drastischen Reduzierung der Stickoxidemissionen. Bemerkenswert ist dabei, dass der Kraftstoffverbrauch nahezu konstant auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten wird. Mit der herkömmlichen Abgasrückführung muss stets ein Kompromiss aus sinkenden Stickoxidemissionen und ansteigendem Kraftstoffverbrauch eingegangen werden, da durch die homogene Abgasverteilung insbesondere die Entflammungsphase sehr negativ beeinflusst wird. Es konnte mit dieser Strategie gezeigt werden, dass bei der strahlgeführten Benzin-Direkteinspritzung in Abhängigkeit der jeweiligen Last die Stickoxidemissionen um 60 - 65% reduziert werden bei nahezu konstantem Kraftstoffverbrauch. Mit kontrollierter Selbstzündung werden die Stickoxidemissionen im Vergleich zum Betrieb ohne Abgasrückführung um 50% gesenkt, im Vergleich zur konventionellen Flammenfrontverbrennung sinken die Stickoxidemissionen um 80% bei einem um 5% niedrigeren Kraftstoffverbrauch. Umfangreiche Voruntersuchungen ohne externe Abgasrückführung wurden zum allgemeinen Verständnis beider Brennverfahren durchgeführt. Als Analysemethoden kamen neben den thermodynamischen Untersuchungen optische Messtechniken wie die Hochgeschwindigkeitsvisualisierung des Kraftstoffstrahls und der Verbrennung sowie die Vielfach-Lichtleitermesstechnik zur Erfassung der Flammenausbreitung an einem Einzylinder-Forschungsaggregat zum Einsatz. Mit der dreidimensionalen Simulation der Strömung und Gemischbildung wurde die erzielte Abgasschichtung im Brennraum beurteilt. Um den Einfluss der inhomogenen Verteilung des extern rückgeführten Abgases auf die Verbrennung zu analysieren, wurde der Reaktionsfortschritt der kontrollierten Selbstzündung mit einem Fortschrittsvariablenmodell, basierend auf detaillierter Reaktionskinetik, das mit einem Modell zur Beschreibung der turbulenten Flammenausbreitung gekoppelt wurde, berechnet.

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