Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 255

Abb. 4.74. Prozessgrößenverläufe eines direkteinspritzenden 4-Takt-Nfz-Dieselmotors

[PIS02]

Infolge der Ladeluftkühlung sind die Zylindertemperaturen trotz unterschiedli-

cher Ladedrücke in der Verdichtungsphase nahezu gleich, während die maximalen

Gastemperaturen vom Luftverhältnis bestimmt werden und damit mit zunehmen-

der Last ansteigen. Anhand der Brennverläufe und Umsatzraten sind die zur Dar-

stellung unterschiedlicher Mitteldrücke veränderlichen Einspritz- und Verbren-

nungsdauern zu erkennen, wobei der Einspritz- bzw. Verbrennungsbeginn zwar

generell von der NO

-Emission bestimmt wird, im Beispiel aber als konstant vor-

gegeben wird. Bei sonst gleichen Randbedingungen bedeutet ein steigender Mit-

teldruck eine längere Brenndauer, da mehr Kraftstoff aufbereitet und verbrannt

wird und die Hauptverbrennung beim Dieselmotor mischungskontrolliert ist. Die

Brennverfahrensentwicklung erfordert eine sorgfältige Abstimmung aller Be-

triebs- und konstruktiven Parameter, um gleichzeitig gute Verbrauchswerte und

niedrige Abgasemissionen ermöglichen zu können. Je nach Anwendungsgebiet

des Motors und der Motorgröße liegt der Fokus entweder auf der Verbrauchs-

oder auf der Emissionsseite.

256 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Auch die dieselmotorische Verbrennung wird durch Einsatz synthetischer

Kraftstoffe und einer entsprechenden Anpassung des Brennverfahrens Vorteile

verbuchen können. Dieses gilt insbesondere für homogene dieselmotorische

Brennverfahren (HCCI), die bis heute nur einen sehr eingeschränkten Kennfeldbe-

reich abdecken können und eine sehr komplexe Regelung benötigen, jedoch hin-

sichtlich der limitierten Schadstoffkomponenten NO

und Ruß sehr vielverspre-

chend sind. Aus diesem Grund soll im Folgenden eine kurze Beschreibung der

wesentlichen Eigenschaften homogener Dieselverbrennung gegeben werden.

Zur Unterdrückung der NO

-Bildung bei OT-naher Verbrennungsschwerpunkt-

lage bietet sich eine homogene Gemischbildung an, welche die lokalen Tempera-

turspitzen und die lokal fetten Gemischbereiche (Rußbildung) vermeidet. Um ein

homogenes Gemisch erzeugen zu können, ist jedoch eine sehr frühe Einspritzung

während der Kompressionsphase notwendig. Hierbei muss darauf geachtet wer-

den, dass kein flüssiger Kraftstoff die Brennraumwände benetzt. Um den Zünd-

verzug – es findet nach wie vor Selbstzündung statt, allerdings idealerweise an

sehr vielen Orten im Brennraum gleichzeitig – in Richtung des Oberen Totpunktes

zu verlängern und die Wärmefreisetzungsrate bzw. den Druckanstieg zu begren-

zen, sind hohe AGR-Raten bis über 70% bei intensiver AGR-Kühlung und guter

Durchmischung erforderlich. Die mit zunehmender Last beschleunigte Wärme-

freisetzung ist somit der Grund dafür, warum der HCCI-Betrieb auf die untere

Teillast begrenzt ist. Der Verbrennungsbeginn wird damit nicht mehr nur durch

den Einspritzbeginn, sondern vielmehr über die AGR-Rate bestimmt.

4.3.2 Ottomotorische Hochlast-Brennverfahren

Um das theoretische Verbrauchspotenzial von ottomotorischen Downsizing-

Konzepten im praktischen Fahrbetrieb besser nutzen zu können, sind daher geeig-

nete Wege zur Anpassung des ottomotorischen Brennverfahrens zu finden, die

einen Betrieb bei hohen Lasten ohne gravierende Nachteile erlauben. Da sich die

Maßnahmen jedoch häufig gegenseitig beeinflussen, ist die Auslegung des Brenn-

verfahrens grundsätzlich vom Lastenheft des Motors abhängig. Reine Verbrauchs-

konzepte weisen daher andere Eigenschaften und Charakteristiken auf als Leis-

tungskonzepte.

SRE-Homogenkonzepte

Das klassische Brennverfahren für den Ottomotor stellt der Homogenbetrieb mit

Saugrohreinspritzung dar. Um dieses Verfahren im aufgeladenen Betrieb auch bei

hohen Lasten klopffrei und ohne schädigende Wirkung auf die thermisch bean-

spruchten Bauteile betreiben zu können, sind die o.g. Maßnahmen erforderlich.

Viele der im folgenden diskutierten Parametervariationen zum Brennverfahren

gelten sowohl für den Saugrohreinspritzer als auch für die BDE. Unterschiede in

der Wirkung der Einflussgrößen werden im Rahmen der Abgrenzung jedoch de-

tailliert beschrieben. Abb. 4.75 beispielhaft das

Ȝ- und b

-Streuband heutiger,

turboaufgeladener SRE-Ottomotoren.

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 257

Abb. 4.75. Volllast-Streubänder für aktuelle, turboaufgeladene SRE-Ottomotoren [SPE03]

An der Volllast wird – je nach Aufladegrad – ab Drehzahlen von ca. 3.500

1/min fett gefahren. Zum thermischen Schutz der Abgasturbine sind hierbei Luft-

verhältnisse zwischen 0,7 und 0,84 nötig. Werden diese Motoren häufig im oberen

Lastbereich betrieben, kann der resultierende Kraftstoffverbrauch sogar höher

ausfallen als mit einem leistungsgleichen, aber großvolumigen Saugmotor. Die

Höhe der Gemischanreicherung wird durch das Luftverhältnis beschrieben.

Abbildung 4.76 stellt die Veränderung der Prozessgrößen in Abhängigkeit des

Luftverhältnisses bei Gemischanfettung am Beispiel eines fremdaufgeladenen

Einzylinderaggregates dar. Beim Übergang vom stöchiometrischen Betrieb zum

leicht fetten Betrieb mit

Ȝ = 0,9 steigt der Mitteldruck bei moderater Verbrauchs-

zunahme deutlich an, während die zyklischen Schwankungen sowie der Brennver-

zug und die Brenndauer abnehmen. Ein Maß für die Verbrennungsstabilität (zykli-

sche Schwankungen) stellt die Standardabweichung bzw. der COV-Wert (C

oeffi-

cient o

f Variance) des indizierten Mitteldruckes dar. Im Bereich des höchsten

Mitteldruckes sind die zyklischen Schwankungen und die Brenndauer minimal.

Trotz der durch Anreicherung nach früh verlagerten Verbrennung – bei gleichem

Zündzeitpunkt nimmt die Verbrennungsdauer mit fetter werdendem Gemisch

zunächst ab – steigt der Kraftstoffverbrauch mit zunehmender Gemischanfettung

deutlich an. Die höchsten Mitteldrücke werden drehzahlabhängig im leicht fetten

Betrieb erreicht, wobei die Verbrennung sehr schnell ist und geringe zyklische

258 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Schwankungen eine positiven Einfluss auf die Laufruhe ausüben. Bei zu starker

Anfettung sinkt der erreichbare Mitteldruck aufgrund des stark abnehmenden

Wirkungsgrades und der längeren Brenndauer wieder ab, während die Abgastem-

peratur mit zunehmender Anreicherung infolge der Innenkühlung progressiv ab-

sinkt. Letzteres ermöglicht einen thermischen Schutz von Abgasturbine bzw. Ka-

talysator und stellt damit den Hauptgrund der Gemischanfettung auf Werte unter-

halb

Ȝ = 0,8 dar.

Abb. 4.76. Einfluss des Luftverhältnisses bei Gemischanreicherung auf motorische Pro-

zessgrößen [HAB99]

Den Beginn der Verbrennung bestimmt der Zündzeitpunkt. Während der

Verbrennungsbeginn bei Teillast noch wirkungsgradoptimal eingestellt werden

kann, ist dies bei hohen Lasten aufgrund klopfender Verbrennung nicht mehr

möglich. Der Zündwinkel ergibt sich somit aus der Forderung nach einem klopf-

freien Betrieb und wird z.B. mit einem Abstand von 2 °KW zur Klopfgrenze be-

stimmt. Je höher der Ladedruck des Motors gewählt wird, desto weiter muss der

Zündwinkel „nach spät“ verlagert werden, um Klopfen zuverlässig zu vermeiden.

Diese späten Zündwinkel führen infolge der Verbrennungsverlagerung in den

Expansionstakt generell zu einer Absenkung des Zylinderspitzendruckes, auch

wenn der Ladedruck moderat erhöht wird. Zudem entfernt sich die Spitzendruck-

lage zunehmend vom Wirkungsgradoptimum, was etwa bei 10-12 °KW nach OT

liegt. Zur Vermeidung sehr später Zündwinkel wird bei aufgeladenen Ottomotoren

im Vergleich zu den Saugvarianten die Verdichtung abgesenkt.

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 259

Abbildung 4.77 zeigt die sich bei Variation von Ladedruck und Verdichtungs-

verhältnis ergebenden Zündwinkel eines aufgeladenen Motors bei Volllast. Be-

trachtet man zunächst einen Ladedruck von 1,8 bar (absolut), so liefert ein Ab-

stand des Zündwinkels zur Klopfgrenze von 2 °KW trotz der bei

İ = 10 deutlich

ausgeprägteren Klopfbegrenzung gegenüber

İ = 7 etwa gleichen Mitteldruck. Mit

zunehmenden Ladedrücken wird ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis hinsicht-

lich der erreichbaren Mitteldrücke und Zündwinkel (Kraftstoffverbrauch) immer

günstiger. Aufgrund der sehr steilen Kurvenverläufe sind geometrische Verdich-

tungen größer 8 bei einem Ladedruck von 2,6 bar nicht mehr darstellbar, da der

Fahrkomfort sonst zu sehr unter den klopfregelbedingten Drehmomentschwan-

kungen leiden würde.

Abb. 4.77. Zündwinkel bei Volllast unter Variation von Ladedruck und Verdichtung

[HAB00]

Die niedrige Verdichtung ermöglicht bei hohen Ladedrücken zwar generell

verbrauchsgünstige Lagen des Verbrennungsschwerpunktes, jedoch verlängert

sich die Brenndauer und die Abgastemperatur steigt. Damit ist aus Gründen des

Bauteilschutzes von Turbine und Katalysator eine Gemischanreicherung erforder-

lich, die den Kraftstoffverbrauch sowie die Emission von Kohlenmonoxid (CO)

und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) deutlich erhöht. Eine verbrauchsop-

timale Strategie für den ottomotorischen Prozess wäre mit einer variablen Ver-

dichtung gegeben. Im Teillastbetrieb, der generell weniger klopfgefährdet ist,

könnte das Verdichtungsverhältnis entsprechend angehoben werden, sodass güns-

tigere Kraftstoffverbräuche realisierbar sind.

Der gravierende Nachteil dieser konstruktiv umzusetzenden Variabilität ist je-

doch durch die hohen Kosten gegeben. Ein ähnlicher Sachverhalt ist Abb. 4.78

entnehmen. Hier wird ebenfalls deutlich, dass sich das theoretisch erreichbare

Mitteldruckmaximum mit zunehmendem Aufladegrad immer weiter hinter die

Klopfgrenze verlagert. Fährt man hingegen mit späterer Zündung diesseits der

260 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Klopfgrenze, kann das theoretische Verbrauchsminimum nicht erreicht werden. In

dem hier dargestellten Fall wurden die Zündwinkel ab einem Ladedruck von 700

mbar mit leichter Anfettung (

Ȝ = 0,9) ermittelt, wodurch die Klopfgrenze günstig

beeinflusst und die zulässige Abgastemperatur eingehalten wurde.

Abb. 4.78. Einfluss des Ladedruckes auf den erreichbaren Mitteldruck und den möglichen

Zündwinkel [WIL00]

Einen weiteren, sehr wichtigen Parameter für das Brennverfahren stellt die La-

dungsbewegung dar. Eine auch bei hohen Drehzahlen ablaufende, kurze Verbren-

nungsphase erfordert ein hochturbulentes Strömungsfeld innerhalb des Brennrau-

mes, welches vom Einströmvorgang, der Kolbenbewegung und der Verbrennung

selbst beeinflusst wird. Neben gerichteten Strömungserscheinungen, wie z.B.

Drall-, Tumble- oder Quetschströmung, siehe Abschn. 2.1, sind auch turbulente

Mikrostrukturen von Bedeutung. Mit zunehmenden Mitteldrücken wird die Gene-

rierung intensiver Ladungsbewegungen immer wichtiger.

In Abb. 4.79 ist der Einfluss der Ladungsbewegungsintensität auf die motori-

schen Prozessparameter am Beispiel einer Tumble-Strömung dargestellt. Der

Parameter ITZ kennzeichnet die sogenannte integrale Tumble-Intensität und be-

rechnet sich aus dem Produkt von Tumble-Zahl und Durchflusszahl. Im Allge-

meinen verringert sich mit steigender Ladungsbewegung die Durchflusszahl und

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 261

damit der Liefergrad. Die mit steigendem Mitteldruck zunehmende Spätverlage-

rung der Zündung zur Klopfbegrenzung ist ursächlich für die ansteigenden

Kraftstoffverbräuche. Hierbei zeigt sich jedoch, dass eine intensivere Ladungsbe-

wegung frühere Zündwinkel erlaubt, die sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch

auswirken. Dieser Wirkungsgradvorteil steigt mit zunehmendem Mitteldruck im

Vergleich zur geringen Ladungsbewegung an.

Abb. 4.79. Einfluss der Ladungsbewegungsintensität (Tumble) auf motorische Prozessgrö-

ßen in Abhängigkeit des indizierten Mitteldruckes [HAB99]

Anhand des geringeren Brennverzugs und der Brenndauer folgt bei intensiver

Tumbleströmung ein schnellerer Energieumsatz mit der Folge, dass der Spitzen-

druck sowie der Zylinderdruckanstieg zunehmen und die Abgastemperatur sinkt.

Der ausgeprägtere Druckanstieg wirkt sich i.A. negativ auf das Verbrennungsge-

räusch aus. Aufgrund der bei höheren Mitteldrücken späten Brennverlaufslagen

nehmen die Druckanstiege wieder leicht ab. Die positive Wirkung der Ladungs-

bewegung äußert sich auch anhand der Standardabweichung des indizierten Mit-

teldruckes. Die Verbrennungsstabilität kann durch intensive Ladungsbewegung

spürbar verbessert werden. Die grundsätzlich positive Wirkung der Ladungsbewe-

gung auf die motorischen Prozessabläufe ist jedoch nur dann vollständig nutzbar,

sofern bei hohen Drehzahlen keine unakzeptablen Füllungseinbußen zu verzeich-

nen sind. Die Einlasskanäle sind daher entsprechend auszulegen, ggf. mit der

Möglichkeit zur Absenkung der Ladungsbewegungsintensität bei hohen Drehzah-

len.

262 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Die Motordrehzahl übt bekanntermaßen einen erheblichen Einfluss auf die Ef-

fektivität der Kraftstoffumsetzung aus, siehe Abb. 4.80. Charakteristisch ist der

progressive Anstieg des spezifischen Kraftstoffverbrauchs mit steigender Dreh-

zahl, der durch eine zunehmende Verschleppung der Verbrennung (späte Spitzen-

drucklage) sowie durch eine steigende Brenndauer infolge klopfbedingter Spätver-

stellung der Zündung verursacht wird.

Abb. 4.80. Motorisches Volllast-Betriebsverhalten bei Drehzahlvariation [HAB99]

Speziell bei hochaufgeladenen Motoren ist eine effektive Zylinderkopfkühlung

daher von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus wirkt sich eine intensive La-

dungsbewegung über den gesamten Drehzahlbereich positiv auf die Entflammung

und den Verbrennungsablauf aus. Neben den bereits beschriebenen Parametern

stellt auch die Temperatur der Ladeluft eine erhebliche Einflussgröße im Hinblick

auf den Verbrennungsprozess dar. Mit höherer Ladelufttemperatur steigt das ge-

samte Temperaturniveau während der Verdichtung. Damit nehmen Vorreaktionen

und Radikalenbildung sowohl vor als auch während der Verbrennung zu, sodass

die Klopfneigung verstärkt wird [RUS96] und eine Spätverstellung des Zündwin-

kels erforderlich ist. Die mit höherer Temperatur verbundene Senkung des Ge-

mischheizwertes wird durch gleichzeitige Steigerungen des Luftaufwandes teil-

weise kompensiert und bewirkt damit nur eine geringe Reduzierung der Ladungs-

masse [HAB99]. In Verbindung mit der klopfbedingten Spätverstellung der Zün-

dung führt die Anhebung der Ladelufttemperatur in der Summe zu einer Senkung

des erreichbaren Mitteldruckes sowie zu einer Erhöhung des Brennstoff-

verbrauchs.

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 263

Abbildung 4.81 zeigt diesen Sachverhalt. Trotz niedrigerer Verdichtung sind

die erreichbaren indizierten Kraftstoffverbräuche infolge der günstigeren Zünd-

winkel geringer als bei höherer Verdichtung. Hinsichtlich des Brennverzugs wirkt

sich eine gesteigerte Ladelufttemperatur aufgrund der besseren Gemischbildung

positiv aus. Allerdings führt die Spätverlagerung der Zündung zu längeren Brenn-

dauern. Aus der Variation der Ladelufttemperatur lässt sich schlussfolgern, dass

mit zunehmendem Aufladegrad die Anforderungen an die Ladeluftkühlung stei-

gen, um der Klopfproblematik ohne gravierende Nachteile bezüglich des Kraft-

stoffverbrauchs und des erreichbaren Mitteldruckes begegnen zu können. Im Hin-

blick auf die Wirksamkeit der Ladeluftkühlung, die Baugröße der erforderlichen

Komponenten und das dynamische Betriebsverhalten des Motors bietet sich hier-

bei ein zusätzlicher Niedertemperatur-Kreislauf an. Trotz eines höheren Aufwan-

des erscheint diese Lösung für Downsizing-Konzepte sehr zielführend.

Abb. 4.81. Einfluss der Ladelufttemperatur auf den indizierten Mitteldruck und den spezifi-

schen, Kraftstoffverbrauch [HAB99]

Zur Begrenzung des Anreicherungsbedarfs sind zum einen das Klopfen zu un-

terdrücken und zum anderen die Abgastemperaturen zu reduzieren. In Verbindung

mit einer hinsichtlich des Klopfverhaltens geeigneten Brennraumauslegung bieten

sich zur Abgastemperatursenkung die gekühlte Abgasrückführung und der homo-

gene Magerbetrieb als bekannte Verfahren zur Ladungsverdünnung an. Zuneh-

mende Ladungsverdünnung reduziert die Ladungswechselverluste (Entdrosse-

lung), erhöht die Ladungsmasse bei gleichem Mitteldruck, führt jedoch zu einer

geringeren, laminaren Flammengeschwindigkeit, die sowohl den Übergang zur

vollturbulenten Flamme als auch die Brenndauer verlängert. Dieser Prozess senkt

den Hochdruckwirkungsgrad und erhöht die zyklischen Schwankungen [KAD04,

GRA99]. Zudem befindet sich das verdünnte Gemisch näher an der Entflam-

mungsgrenze, sodass zusätzlich die Gefahr von Zündaussetzern besteht. Je später

264 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

die Verbrennungslage und je höher der Restgasanteil oder das Luftverhältnis,

desto geringer ist die Verbrennungsstabilität, siehe Abb. 4.82.

Abb. 4.82. Standardabweichung des indizierten Mitteldruckes als Funktion von Zündwin-

kel, Restgasanteil und Luftverhältnis (schematisch)

Mit der Spätverstellung des Zündwinkels ist unmittelbar ein Anstieg der Stan-

dardabweichung des indizierten Mitteldruckes verbunden. Diese Tatsache ist spe-

ziell bei Downsizing-Konzepten kritisch, da sie zweckmäßigerweise eher geringe

Zylinderzahlen mit großen Zündabständen aufweisen. Bei gleicher Verbrennungs-

stabilität und gleichem Abstand von der Klopfgrenze kann der Zündwinkel durch

erhöhte Abgasrückführung (bei

Ȝ = 1) oder durch mageres Gemisch in wirkungs-

gradgünstigere Bereiche verlagert werden. Im Vergleich zum konventionellen

Brennverfahren, bei dem im Volllastbereich eine Gemischanreicherung erforder-

lich ist, können sowohl mit der gekühlten Abgasrückführung als auch durch Ma-

gerbetrieb die Emissionen von CO und HC reduziert werden.

Problematisch ist jedoch die Darstellung der bei hohen Mitteldrücken gekühlten

Abgasrückführung, da relativ große Abgasmengen bei teilweise positivem Spülge-

fälle zugeführt werden müssen. Auf der anderen Seite stellt ein Motorbetrieb mit

überstöchiometrischem Luftverhältnis erhöhte Anforderungen an die Aufladung,

da entsprechend viel Luft bei hohen Ladedrücken benötigt wird, sowie an die

Abgasnachbehandlung zur NO

-Reduzierung. Sowohl die gekühlte Abgasrückfüh-

rung als auch der Magerbetrieb sind demnach mit erheblichen Zusatzkosten ver-

bunden.

Im Teillastbetrieb ermöglicht eine ausgeprägte Ladungsbewegung die Auswei-

tung von Magerlauffähigkeit und Restgasverträglichkeit des Motors, sodass hier-

durch ebenfalls Verbrauchspotenziale bestehen. Mit steigendem Luftverhältnis

muss der Zündzeitpunkt aufgrund des zunehmenden Brennverzugs und der höhe-

ren Brenndauer vorverlegt werden Das bei geringerer Motorlast günstigere Klopf-

verhalten gestattet zudem die Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhält-

nisses – konstruktiv ist diese Variabilität jedoch schwierig umzusetzen – und er-

möglicht infolge des resultierenden höheren Druck-, Temperatur- und Turbulenz-

niveaus eine Ausweitung der Magerlaufgrenze, siehe Abb. 4.83.