Schadstoffverhalten und Lastgrenze der vorgemischten Dieselverbrennung

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Die vorliegende Arbeit liefert Erkenntnisse hinsichtlich der vorgemischten Dieselverbrennung, die eine Alternative zu den herkömmlichen Brennverfahren in Diesel- und Ottomotoren darstellt. Die vorgemischte Dieselverbrennung ist auch unter dem Fachbegriff "Premixed Charge Compression Ignition" ("PCCI") Brennverfahren bekannt. Beim PCCI Brennverfahren werden die positiven Merkmale des dieselmotorischen Brennverfahrens (geringer Kraftstoffverbrauch, bedingt durch die Kompressionszündung und Qualitätsregelung) mit den positiven Merkmalen des ottomotorischen Brennverfahrens (geringe Rußemission durch die Vormischung vor der Verbrennung) kombiniert. Anders als beim herkömmlichen Dieselbrennverfahren, kann beim PCCI Brennverfahren der Zielkonflikt zwischen einer geringen Stickoxidemission und einer geringen Rußemission aufgebrochen werden. Hierdurch kann zu Gunsten geringerer Systemkosten der Einspritzdruck deutlich gesenkt und auf eine Abgasnachbehandlung für Stickoxide und Rußpartikel verzichtet werden. Die größte Herausforderung in herkömmlichen Dieselmotoren besteht darin, dass das PCCI Brennverfahren nur in einem sehr eingeschränkten Lastbereich realisiert werden kann. Der besondere Stellenwert der Arbeit liegt in der wissenschaftlichen Analyse des Schadstoffverhaltens und der Lastgrenze des PCCI Brennverfahrens. Die Analyse des Schadstoffverhaltens ermöglicht es, die Führungsgrößen für einen weitgehend stickoxid- und rußpartikelfreien Motorbetrieb zu identifizieren. Bei der Analyse der PCCI Lastgrenze wird aufgezeigt, dass die Ursache für die Zunahme der Rußpartikelemission bei steigender Motorlast die Verkürzung des motorischen Zündverzugs ist. Bei steigender Motorlast kommt es in herkömmlichen Dieselmotoren mit Abgasturboaufladung zu der Verkürzung des motorischen Zündverzugs, da der Zylinderdruck während des Gemischaufbereitungszeitraums zunimmt. Anhand eines Modells wird die Auswirkung des Zylinderdrucks auf den motorischen Zündverzug, als zusätzliche Einflussgröße neben der Gastemperatur und der Ladungszusammensetzung, aufgezeigt. Mit Hilfe des Zündverzugsmodells werden anschließend alternative Motorkonzepte simuliert, bei denen gezielte Maßnahmen zur Aufrechterhaltung eines konstanten Zündverzugs bei zunehmender Motorlast ergriffen werden. Im Anschluss an die Simulationsphase wird messtechnisch nachgewiesen, dass das PCCI Brennverfahren tatsächlich auch bei höherer Motorlast realisiert werden kann. Dazu werden Versuche mit abgesenktem Verdichtungsverhältnis und abgesenkter Kraftstoffzündwilligkeit vorgestellt. Bei diesen Versuchen gelingt es, den für das ideale PCCI Brennverfahren definierten Zündverzug unabhängig von der Motorlast aufrechtzuerhalten. Die innovative Aussage dieser Arbeit besteht darin, dass eine gezielte Steuerbarkeit des Schadstoffverhaltens über die Anpassung des motorischen Zündverzugs möglich ist. Basierend auf dieser Aussage werden zukünftige Motorkonzepte skizziert, bei denen der Zündverzug als Stellgröße verwendet wird, um das Betriebsverhalten kennfeldweit zu optimieren.