Vorkammerzündung als Schlüsseltechnologie für hocheffiziente Ottomotoren – neue Ansätze und Betriebsstrategien

Autoren

Dipl.-Ing. M. Sens, Dr.-Ing. E. Binder, Dipl.-Ing. A. Benz, Dr. rer. nat. L. Krämer, Dipl.-Ing. K. Blumenröder, Dipl.-Ing. M. Schultalbers, IAV GmbH, Berlin / Gifhorn

Jahr

2018

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 807

Zusammenfassung

Dieser Beitrag beschreibt das Potenzial der Anwendung eines passiven und aktiven Vorkammerzündsystems an einem konventionellen Ottomotor.
In Voruntersuchungen wurde mittels 3D-CFD-Simulation der Einfluss relevanter Designparameter auf die strömungsmechanischen und thermodynamischen Eigenschaften der Vorkammer analysiert. Auf Basis der Simulation konnten vielversprechende Layouts abgeleitet werden. Der konstruierte Vorkammer-Einsatz weicht dabei bewusst von vorhandenen Designs ab, um eine hohe Flexibilität in der Variation verschiedener geometrischer Parameter zu ermöglichen. Weiterhin wurden neue Betriebsstrategien eingeführt und untersucht, wie z. B. die aktive thermische Konditionierung der Vorkammer, welche der Verbesserung der Niedriglast- bzw. Kaltbetriebsfähigkeit dienen. Weiterhin konnte ein aktives Vorkammerkonzept mit Niederdruck-Einspritzung eines Kraftstoff-Luft Gemischs, anstelle reinen Flüssigkraftstoffs, eine signifikante Reduktion der chemischen Verluste innerhalb der Vorkammer erzielen.
Die Nutzung einer passiven Vorkammer mit optimiertem Layout führt zu einer erheblichen Reduktion der Klopfneigung im Hochlastbetrieb und gestattet die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses um circa 2 Einheiten. Der Kraftstoffverbrauch im relevanten Kennfeldbereich wird um 2-4 % reduziert. Im WTLP-Zyklus verbleibt ein Vorteil von circa 3 %. Mit der Vorkammeranwendung auftretende Druckpulsationen erschweren die Klopferkennung, weshalb die Definition eines neuen Klopfkriteriums nötig war, welches im Verlauf des Projekts entwickelt wurde.
Eine Analyse der Verlustkette der passiven Vorkammer zeigt zwei besonders relevante Einflussfaktoren auf. Zum einen die erhöhten Wandwärmeverluste durch die schnellere Umsetzung im Hauptbrennraum und zum anderen die deutlich erhöhten Wandwärmeverluste infolge erhöhter Turbulenz in Brennraumwandnähe durch die tief eindringenden Jets.
Der völlig neuartige Ansatz der Niederdruckeinspritzung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in die Vorkammer zeigt ein hohes Potenzial zur Anhebung des Luftverhältnisses im homogen-mageren Betrieb auf Luftverhältnisse von 2.2 und darüber hinaus, bei jedoch vergleichsweise geringen chemischen Verlusten. So konnte im homogen-mageren Betrieb bei niedrigsten spezifischen NOx-Emissionen von ca. 0,3 g/kWh ein Verbrauchsvorteil von ca. 10 % gegenüber dem stöchiometrischen Betrieb erzielt werden.