Untersuchung eines Vorkammerzündverfahrens für die Anwendung in einem Extrem-Mager-Ottomotor eines Hybridantriebstrangs

  • Investigation of a ore-chamber ignition system for the application in an ultra-lean-gasoline hybrid powertrain engine

Müller, Christoph; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Zur Realisierung des zukünftigen Individualverkehrs werden für PKWs weitere Verbrauchs- und Emissionsabsenkungen gefordert. Neben rein-elektrischen Antrieben bieten auch hybridisierte Antriebsstränge mit weiter optimierten Ottomotoren noch Potential für Weiterentwicklungen. Einen großen Schritt zur Wirkungsgradsteigerung repräsentiert der Homogenmagerbetrieb. Soll dieser Betrieb neben geringen Verbräuchen auch gleichzeitig die Motorrohemissionen reduzieren, muss ein Magerbetrieb mit λ ≥ 2 in weiten Bereichen des Motorbetriebskennfeldes abgebildet werden. Den erschwerten Zündbedingungen eines solchen Magerbetriebs kann beispielsweise durch die Verwendung einer Vorkammerzündung Rechnung getragen werden. Zur Erforschung der Potentiale des Magerbetriebs sowie der Funktionsweise einer Vorkammerzündung für die Anwendung in einem kleinen Ottomotor mit 75 mm Bohrung und 90,5 mm Hub wurde in dieser Arbeit ein effizientes Raumzündverfahren mittels Vorkammer entwickelt. Ausgehend von der Zielsetzung, einen Mager-Ottomotor mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Roh-Emissionen zur Anwendung in elektrifizierten Antriebsträngen darzustellen, wurden die Vorkammer und die zugehörige Zylinderkopfumgebung entwickelt, berechnet, konstruiert und am Einzylindermotor-Prüfstand untersucht. Dabei bildeten die thermodynamischen Untersuchungen des Vorkammerzündverfahrens den Hauptbestandteil der Arbeit. In diesem Rahmen wurden die Auswirkungen der Vorkammerauslegung auf die Emissionen sowie den Verbrauch des Magerbrennverfahrens untersucht. Durch den Vergleich verschiedener Vorkammeranreicherungen anhand von Erdgas, Wasserstoff und konventionellen ROZ98 Ottokraftstoff wurde zudem gezeigt, dass die direkte flüssige Einspritzung von Ottokraftstoff in die Vorkammer vor dem Hintergrund des geringen Integrationsaufwands sehr gute thermodynamische Ergebnisse realisiert. Das resultierende ottomotorische Magerbrennverfahren bietet durch seine verbesserte Magerlauffähigkeit bis λ = 3, verbunden mit niedrigen, spezifisch indizierten Stickoxid-rohemissionen unter 0,1 g/kWh, eine hervorragende Voraussetzung für die weitere Wirkungsgradverbesserung von elektrifizierten Antriebsträngen. In Zyklussimulationen eines seriellen Hybridantriebstrangs auf Basis der gemessenen Motorkennfelder wurde für das entwickelte Brennverfahren im „Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure“ (WLTP) gegenüber einem aktuellen 1,5 l Motor eine Verbrauchsreduktion von 6,86 % erreicht. Mit einer auf die Motorcharakteristik ausgelegten Übersetzung des Generatorantriebs kann sogar ein Potential von etwa 10 % Verbrauchsreduktion ausgewiesen werden. Gleichzeitig können Stickoxid-Rohemissionen unterhalb des Euro 6d - Grenzwertes von 60 mg/km realisiert werden.

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