Zylinderdurchmesser direkt einspritzender Ottomotoren

Die Effizienz von Verbrennungsmotoren lässt sich insbesondere für Ottomotoren durch das sogenannte „Downsizing“ steigern. Durch eine Kombination von Direkteinspritzung und Aufladung kann der Hubraum bei gleichbleibender Motorleistung verkleinert werden. Zudem besteht im Zuge der sich weiter verbreitenden Hybridisierung des Antriebsstrangs ein erhöhter Bedarf an kleinvolumigen Ottomotoren. Im FVV-Vorhaben arbeiten die Partner an der Entwicklung eines geeigneten Zylinderkopfkonzepts für einen kleinvolumigen, direkt einspritzenden Ottomotor. Dazu führen sie 3-D-CFD(Computational Fluid Dynamics)-Berechnungen und experimentelle Arbeiten an einem optischen Einzylinder-Forschungsmotor durch. Das 3V-Konzept zeigt bisher die vielversprechendsten Ergebnisse. Weitergehende Untersuchungen zur Gemischbildung und zur Eignung verschiedener Injektorlagen sind Teil eines laufenden Forschungsvorhabens. Der Einsatz der laserinduzierten Exciplex-Fluoreszenz (Laser Induced Exciplex Fluorescence – LIEF) ermöglicht dabei die vertiefte messtechnische Analyse der Gemischbildung.

Motivation

Der Trend zu kleineren Leistungsklassen bei Verbrennungsmotoren hat mehrere Treiber. Einer davon ist das Downsizing, das durch eine Kombination aus Direkteinspritzung und Aufladung auf einen kleineren Hubraum bei gleichbleibender Motorleistung abzielt. Darüber hinaus beflügelt die Hybridisierung die Entwicklung von Motoren mit geringeren Hubraumvolumina und Zylinderabmessungen. Die kleinen Abmessungen haben jedoch den Nachteil, dass es vermehrt zum Kraftstoffwandauftrag und damit zu höheren Emissionen sowie zur Schmierölverdünnung kommen kann. Das FVV-Vorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, die Machbarkeit der Direkteinspritzung bei deutlich kleinerem Bohrungsdurchmesser als heute am Markt üblich zu untersuchen.

Methodik

Basierend auf umfangreichen Vorstudien wurden zwei Zylinderkopfkonzepte – 3V(Ventil)- und 4V-Konzept – als Prototypen umgesetzt und experimentell auf einem Motorprüfstand untersucht. An einem Transparentmotor, der mit LIEF ausgestattet ist, wird die Gemischbildung der Prototypen messtechnisch analysiert. Mittels LIEF ist die simultane Messung der Flüssig- und der Gasphase möglich. Im Rahmen der optischen Motorversuche lassen sich somit auch Quellen von Partikelemissionen identifizieren. Darüber hinaus wird die Eignung einer zentralen Injektorlage am 3V-Konzept mittels 3D-CFD Berechnungen der Gemischbildung untersucht.

Ergebnis

Das 3V-Konzept mit seitlich stehender Injektorlage und das 4V-Konzept mit seitlicher Injektorlage haben sich bewährt. Das Partikelemissionsverhalten kann durch einspritzseitige Variationen, wie z.B. Ansteuerbeginn und Einspritzmuster, sowie durch eine Variation der Intensität der Ladungsbewegung optimiert werden, sodass die Anforderungen an aktuelle Brennverfahren erfüllt werden können. Ein Vergleich der beiden Konzepte zeigt im Hinblick auf die Partikelemissionen, dass das 3V-Konzept ein größeres Potenzial bietet, jedoch sensibler auf Applikationsparameter wie den Einspritzzeitpunkt ist. Die Auswirkungen der Wandbenetzungen und eine zentrale Injektorlage am 3V-Konzept sind Bestandteil der noch laufenden Forschungsaufgaben.

Dokumentation

GDI Grenzdurchmesser | Ermittlung des minimal möglichen Zylinderbohrungsdurchmessers bei direkteinspritzenden Ottomotoren | Vorhaben-Nr. 1047

GDI Grenzdurchmesser II | Numerische und optische Untersuchungen der Gemischbildung eines kleinstvolumigen direkt einspritzenden Ottomotors mit verschiedenen Injektorpositionen | Vorhaben-Nr. 1223

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