Untersuchung der Wechselwirkung von Ladungsbewegung, Gemischbildung und Restgaskonzentration am DI-Ottomotor

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise, um die Auswirkung einer gezielt beeinflussten Ladungsbewegung auf die Gemischbildung, die Temperaturund Restgasverteilung sowie die anschließende Verbrennung in direkteinspritzenden Ottomotoren untersuchen zu können. Neben der Realisierung einer definierten Ladungsbewegung unter Verwendung verschiedener Ladungsbewegungsklappen und einer Restgaszuführung an den untersuchten optisch zugänglichen Motoren zeichnet sich diese methodische Vorgehensweise durch verschiedene optische Messtechniken aus. Um die Auswirkung der Ladungsbewegung auf die Gemischbildung darzustellen, wurde die laserinduzierte Fluoreszenz eingesetzt und ein Gleichverteilungsindex angewendet, der den Grad der Homogenisierung der LIF-Ergebnisbilder quantifiziert. Zur Darstellung des Einflusses der Ladungsbewegung auf die Verbrennung beinhaltet diese Vorgehensweise die OH-Chemilumineszenz Messung in Kombination mit der Auswertung der Indizierdaten und einer Brennverlaufsanalyse in GT- Power. Da bisher keine Möglichkeit existierte, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die Temperatur- und die Restgasverteilung im Brennraum simultan zu detektieren, wurde mit der Zweiwellenlängen-Zweifarben- LIF als letzter Schritt dieser Vorgehensweise eine Messtechnik auf Basis der bereits erfolgreich eingesetzten Zweiwellenlängen-LIF Technik entwickelt, die unter Verwendung zweier Excimer-Laser, zweier intensivierter CCD-Kameras und dem simultanen Einsatz zweier Tracer (Triethylamin als Kraftstofftracer und Aceton als Tracer für die Frischluft) eine simultane Detektion aller drei Größen ermöglicht. Zur Qualifizierung der Zweiwellenlängen-Zweifarben-LIF Messtechnik wurde ein Vergleich der simultanen Erfassung dieser drei Größen mit der sequentiellen Detektion, bei der für die einzelnen Teilmessungen jeweils lediglich ein Tracer zum Einsatz kommt, mit sehr guter Übereinstimmung durchgeführt. Die Methodenentwicklung erfolgte überwiegend an einem optisch zugänglichen Forschungsmotor, der unter anderem unter Zuführung von vorgemischtem Restgas zur Untersuchung unterschiedlicher Restgasraten betrieben wurde. Zur Entwicklung der Zweiwellenlängen-Zweifarben-LIF Messtechnik und deren Einsatz zur Untersuchung unterschiedlicher interner Restgasstrategien kam ein optisch zugänglicher Prototyp mit ein- und auslassseitiger Nockenwellenverstellung zum Einsatz. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine deutlich schnellere Gemischhomogenisierung für den Fall einer drallüberlagerten Tumbleströmung im Vergleich zu einer reinen Tumblestruktur. Zudem hat die zusätzliche Drallstruktur eine schneller ablaufende Verbrennung zur Folge. Da sich diese Auswirkungen auch für Betriebspunkte mit hohen Restgaskonzentrationen aufzeigen lassen, stellt die Überlagerung einer zusätzlichen Drallkomponente ein probates Mittel dar, die Restgasverträglichkeit zu steigern, was wiederum zusätzliche Freiheitsgrade in der Motorabstimmung mit sich bringt. Das Potenzial der simultanen Messtechnik wird an einem Vergleich von Einlasskanalrückführung und Restgasrückhaltung demonstriert. Die Visualisierung der Verteilung des heißen Restgases im Brennraum veranschaulicht dabei dessen Auswirkung auf die Verdampfung des direkteingespritzten Kraftstoffs.