Untersuchung der Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoffentstehung eines Ottomotors mit Direkteinspritzung im transienten Betrieb

Die Arbeit behandelt die Untersuchung transienter Betriebszustände an einem aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Im Fokus steht die Untersuchung von verschiedenen Lastaufschaltungen, die unter Einsatz einer Engine-in-the-Loop-Entwicklungsumgebung im virtuellen Fahrversuch analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass für die Spitzenwerte der Rohemissionen in transienten Betriebsphasen meist eine geringe Anzahl aufeinanderfolgender Arbeitsspiele ursächlich ist. Zur Ermittlung der Entstehungsmechanismen werden die innermotorischen Prozesse, ausgehend von Gemischbildung, Verbrennung bis zur Schadstoffentstehung arbeitsspiel- bzw. kurbelwinkelaufgelöst analysiert. Zu diesem Zweck werden verschiedene Verfahren der Verbrennungsdiagnostik und Abgasmesstechniken mit kurzen Ansprechzeiten simultan eingesetzt.

Für die Emissionsentstehung in transienten Betriebsphasen spielt die präzise Regelung des Luftverhältnisses eine zentrale Rolle. Hierzu wird das lokale Brennraumluftverhältnis durch Einsatz einer Sonderzündkerze auf Basis der Infrarotabsorptionsspektroskopie kurbelwinkelaufgelöst ermittelt. Durch eine neu definierte Kennzahl wird der Homogenisierungsgrad von Einzelarbeitsspielen in transienten Betriebsphasen quantifiziert und mit verschiedenen Einspritzparametern korreliert.

Im Kontext eines virtuellen P2-Hybridkonzeptes werden die Erkenntnisse aus der Einzelarbeitsspielanalyse dazu genutzt, um durch eine Kurzzeitentkopplung des Verbrennungsmotors eine signifikante Reduktion der Maximalwerte für die PN-Rohemissionen zu realisieren. Dazu werden zwei Ansätze beschrieben. Im ersten Ansatz erfolgt eine Phlegmatisierung des Verbrennungsmotors ohne Applikationseingriff und im zweiten Ansatz eine gezielte Vorsteuerung der Motorparameter während der Kurzzeitentkopplung. Durch beide Ansätze werden ungünstige Übergangszustände umgangen und dadurch die Synergien aus Verbrennungs- und Elektromotor im Hybridtriebkonzept verbessert.

Abschließend wird eine echtzeitfähige optische Analyse der Verbrennungsstrahlung mittels einer Prototypen-Lichtwellenleiterzündkerze zur adaptiven Regelung des Einspritzbeginns in die Motorsteuerung integriert. Dadurch passt sich die Motorapplikation von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel an die sich ändernden Randbedingungen für die verschiedenen Ordnungen des transienten Motorbetriebs an. Die Ergebnisse zeigen, dass die Maximalwerte für PN-Rohemissionen während der Lastaufschaltung signifikant reduziert werden können.
Zusammenfassend beschreibt die Arbeit verschiedene neue Ansätze zur Reduzierung der Rohemissionen im transienten Betrieb eines Ottomotors mit Direkteinspritzung. Dies beinhaltet sowohl Ansätze, die ausschließlich durch das Brennverfahren verfolgt werden als auch Ansätze, die den Verbrennungsmotor in einem hybridisierten Gesamtsystem berücksichtigen.