Ottomotorische Brennverfahren nach 2020

Ottomotorische Brennverfahren nach 2020

22. Oktober 2014 | Engineering Service

In absehbarer Zukunft bleibt der Ottomotor der weltweit wichtigste Antrieb für Pkw.  „Downsizing“ in Kombination mit Direkteinspritzung führte zu einer signifikanten Effizienzsteigerung bei gleichzeitig erhöhtem Fahrspaß. Durch Einsatz bekannter Technologien können bis zum Jahr 2020 weitere erhebliche Einsparungen erzielt werden.

Bei einer Zertifizierung nach dem zukünftigen WLTP-Verfahren (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure) werden, neben einem geänderten Fahrzyklus, ausstattungsabhängige Fahrzeuggewichte sowie der Betrieb von Verbrauchern berücksichtigt. Daher ergibt sich für ein Fahrzeug ein Bereich von CO2-Emissionen (zwischen WLTP low und WLTP high), welcher oberhalb der für den NEFZ gültigen Werte liegt. Ein sinnvolles weiteres Downsizing und Downspeeding zielt auf eine Verbesserung des Hochlast-Wirkungsgrades ab. Hierbei werden beim Ottomotor insbesondere Maßnahmen zur Reduktion der Klopf- bzw. Vorentflammungsneigung sowie des Anreicherungsbedarfs ergriffen. Als Technologien hierfür sind beispielhaft der Miller-Zyklus, die gekühlte externe AGR, das geometrisch variable Verdichtungsverhältnis aber auch die Abgaswärmenutzung zu nennen.

Einsatz von Kondensateinspritzung birgt weiteres Optimierungspotenzial – auch nach 2020

FEV-Versuchsreihen zum zukünftigen Potenzial von Ottomotoren zeigen: Durch Einspritzung von Kondensat, das aus dem Abgas oder aus der Klimaanlage gewonnen wird, können bei einigen Technologien Synergieeffekte genutzt werden.

Basierend auf ersten Untersuchungen mit PFI-Injektoren für eine AGR-Kondensateinspritzung erfolgte ein Übergang auf Direkteinspritzung sowohl für das Kondensat als auch für den Kraftstoff. Neben dem aus der AGR gewonnenen Kondensat wurde zusätzlich Kondensat aus dem Abgas verwendet. Die Untersuchungen erfolgten an einem 1-Zylinder-Forschungsmotor, der mit Miller-Steuerzeiten und gekühlter externer AGR betrieben wurde. Aufgrund des hohen geometrischen Verdichtungsverhältnisses von 13,5:1 war der Motor im untersuchten Betriebspunkt pmi = 14,5 bar bei einer Drehzahl von 2.000 U/min klopfbegrenzt.

Zunächst erfolgte die Kondensateinspritzung über ein seitlich angeordnetes Einspritzventil. Dabei wurden Einspritzzeitpunkt und -druck optimiert. Auf Basis dieser optimierten Parameter variierten die Entwickler die eingespritzte Kondensatmenge. Bei einem Kondensatanteil von 37 Prozent (bezogen auf die Kraftstoffmasse) konnte der indizierte Kraftstoffverbrauch um 3,5 Prozent zusätzlich zu Miller und AGR verringert werden (vgl. Abb. 2). Die Lage des Verbrennungsschwerpunktes konnte hier zudem optimal gewählt und eine Absenkung der Abgastemperatur um ca. 40 °C erzielt werden.

Weitere Verbrauchseinsparungen

Ähnliche Ergebnisse wurden bei einer höheren Motordrehzahl erzielt. Im homogenen Magerbetrieb konnte der Kraftstoffverbrauch weiter abgesenkt werden. Zusätzlich ergeben sich so durch die Kondensateinspritzung Vorteile infolge geringerer NOx-Emissionen, welche ggf. Einsparungen bei der Abgasnachbehandlung ermöglichen. Dabei sind die Potenziale bei einer Einspritzung des Kondensates über einen zentralen Injektor ähnlich groß wie im Fall einer seitlichen Einspritzung (vgl. Abb. 3).

Der Einsatz einer Kondensateinspritzung ermöglicht eine wirkungsvolle Unterdrückung von Klopfphänomenen und eine optimale Verbrennungslage bei höheren Lasten – sogar in Kombination mit einem hohen geometrischen Verdichtungsverhältnis von 13,5:1. Bei verstärktem Einsatz von Technologien zur Abgaswärmerückgewinnung – beispielsweise die Verwendung von Wärmetauschern zur schnelleren Aufheizung von Öl und Kühlmittel sowie die Nutzung des Rankine-Prozesses – können Synergien genutzt werden, um das Abgas unter den Taupunkt abzukühlen und eine ausreichende Kondensatmenge zu gewinnen. In einer möglichen Erweiterung dieses Konzepts kann kondensiertes Wasser aus der Klimaanlage in einem Puffertank gespeichert und dem Motor zugeführt werden.

Absenkung der CO2 Emissionen

Abb. 1: Potenzial verschiedener Technologien zur Absenkung der CO2 Emissionen am Beispiel eines C-Segment Fahrzeuges mit 1,0 l 3-Zylinder Ottomotor

 

Ottomotorische Brennverfahren nach 2020

Abb. 2: Einfluss der Kondensatmenge
auf die Verbrennung
im stöchiometrischen
Betrieb bei n = 2.000 U/min
und pmi = 14.5 bar

 

Ottomotorische Brennverfahren nach 2020

Abb. 3: Vergleich zwischen
seitlicher und zentraler
Kondensateinspritzung
bei n=2.000 U/min und
pmi=14.5 bar im stöchiometrischen
Betrieb mit
gekühlter AGR

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