Analyse der Partikelbildung in direkteinspritzenden hubraumverkleinerten Ottomotoren

Die stetige Verschärfung der Abgasgrenzwerte hat in den vergangenen Jahrzehnten
zu immer effizienteren und saubereren Ottomotoren geführt. Dieser Trend wird in den
nächsten Jahren mit der Euro 6 Norm fortgesetzt, welche mit der Partikelanzahlbegrenzung
die wohl größte Herausforderung für das ottomotorische Brennverfahren
darstellt. Sie wird im Jahr 2014 mit 6 * 1012 P/km (Euro VIb) für direkteinspritzende
Ottomotoren in Kraft treten und bis 2017 auf 6 * 1011 P/km (Euro VIc) verschärft.
Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst die innermotorischen Zonen der Partikelbildung
identifiziert und auf wesentliche Phänomene aufgeteilt. Im Anschluss daran erfolgt
die detaillierte Untersuchung dieser Phänomene in zyklusrelevanten Lastpunkten
mit Hilfe eines 1-Zylinder Motors mit optischem Zugang, eines Partikelzählers sowie
eines AVL Smoke Meters. Desweiteren werden neue Analysemethoden für die Auswertung
der endoskopischen Aufnahmen der Verbrennung vorgestellt.
Es kann gezeigt werden, dass sowohl die Verdampfungsbedingungen, die durch die
Umgebungsbedingungen und die Bauteiltemperaturen beeinflusst werden, als auch
die Form des Films und damit einhergehend, die Art der Benetzung entscheidend für
die verbleibende Filmmasse sowie die spätere Partikelbildung sind. Zusätzlich zeigen
die Ergebnisse, dass das Oberflächen-/Volumenverhältnis, welches sowohl über motorische
Parameter als auch über die Sprayform beeinflusst werden kann, ausschlaggebend
ist für die Verdampfung des Films. Für den Benetzungsprozess spielen sowohl
die Eindringtiefe des Sprays als auch der Spraywinkel eine sehr wichtige Rolle.
Wesentlicher Treiber für die Geschwindigkeit der Verdampfung und damit einhergehend
für die verbleibende Filmmasse während der Verbrennung ist die Filmtemperatur,
womit sich eine direkte Abhängigkeit der Filmmasse von den Wandtemperaturen ergibt.
Desweiteren kann die Ladungsbewegung die Verdampfung begünstigen sowie
als Transportmechanismus dienen und so die Filmmasse erhöhen.
Bei genauerer Betrachtung der Partikelbildung an der Düsenspitze des Injektors zeigt sich ein direkter Zusammenhang zwischen Partikelbildung und der Struktur der Rußschicht auf der Düsenspitze, welche einen deutlichen Einfluss auf deren Speicherfähigkeit hat. Für die Speicherfähigkeit ist auch das Düsenkonzept entscheidend. Die Verdampfung des Films auf der Düse kann durch verschiedene Parameter beeinflusst
werden, die sowohl über applikative Maßnahmen als auch über Hardware Konfigurationen verändert werden können.