Browsing by Author "Bohatsch, Stefan"

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Ein Injektorkonzept zur Darstellung eines ottomotorischen Brennverfahrens mit Erdgas-Direkteinblasung
(2011) Bohatsch, Stefan; Bargende, Michael (Prof. Dr-Ing.)
Mitte der 70er Jahre wurde von Forschern eine steigende Erwärmung der Erdtemperatur seit Beginn des 19. Jahrhunderts festgestellt und die Suche nach den Ursachen begann. Dabei stellte sich heraus, dass im Vergleich zu früheren Wärmeperioden auf der Erde die Geschwindigkeit des aktuellen Temperaturanstiegs deutlich höher ist als in früheren Zeiten. Eine menschliche Einwirkung auf diesen Prozess ist durch den Umstand der zu diesem Zeitpunkt einsetzenden Industrialisierung sehr wahrscheinlich, denn ein nennenswerter Faktor dieses so genannten Treibhauseffektes ist der Anstieg der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. Als Konsequenz dieser Diskussionen sowie die Frage nach der Reichweite heutiger Rohöl-ressourcen müssen Alternativen zu den heute vorherrschend eingesetzten Kraftstoffen auf Rohölbasis entwickelt werden. Neben Wasserstoff als potenziell CO2-neutraler Energieträger, elektrischen Antriebskonzepten und Kraftstoffen aus Biomasse ist auch Erdgas eine interessante Alternative. Aufgrund seines günstigen Kohlenstoff- / Wasserstoff-Verhältnisses von 1:4 können schon allein durch die Verwendung von Erdgas als Kraftstoff die CO2- Emissionen eines Fahrzeuges um rund 25 % gesenkt werden. Zudem enthält neben Erdgas auch Biogas Methan als Hauptbestandteil. Eine weitere Reduktion des CO2-Niveaus erfordert erdgasspezifische Brennverfahren. Dabei sind Diesel- und HCCI-Brennverfahren nur in Verbindung mit Hilfszündquellen wie etwa permanent betriebenen Glühstiften oder in Kombination mit anderen, leichter entflammbaren Kraftstoffen, z. B. Wasserstoff oder einer Pilotmenge Dieselkraftstoff möglich. Die aktuell verfügbaren Pkw mit Erdgasantrieben arbeiten deshalb mit ottomotorischen Brennverfahren. Die Motoren entsprechen weitgehend dem Benzin-Serienstand. Zunehmend spielt die Aufladung der Motoren zur Leistungssteigerung eine Rolle. Um die Effizienz der Motoren weiter zu steigern, ist eine Optimierung auf den Kraftstoff Erdgas notwendig. Eine Möglichkeit hierzu ist die hier untersuchte Direkteinblasung. Damit lässt sich analog zur Benzin-Direkteinspritzung ein geschichteter Motorbetrieb darstellen und die konzept-bedingten Verluste durch den Ladungswechsel deutlich verringern. Hierzu wurde ein Injektorkonzept erarbeitet, das den Anforderungen eines solchen Brenn-verfahrens gerecht wird. Vor allem die notwendige kompakte Bauform und die hohen benötigten Durchflüsse aufgrund des niedrigen volumenbezogenen Heizwertes von Erdgas wurden dabei berücksichtigt. Zur Realisierung des benötigten Durchsatzes wurde eine nach außen öffnende Düsengeometrie gewählt. Entsprechend dem heutigen Stand der Technik wird der Injektor direkt magnetisch betätigt. Der Injektor ist so konzipiert, dass ein uneingeschränkter Motorbetrieb bis an die Spitzen-druckgrenze des Versuchsaggregates (ein Einzylinder-Forschungsaggregat auf Basis des Mercedes M271 mit zentraler Injektorlage) möglich ist. Das Konzept wurde dabei so ausgelegt, dass ein Einblasedruck von 20 bar ausreicht, um sowohl einen geschichteten als auch einen homogenen Motorbetrieb darzustellen. Der maximale Einblasedruck beträgt 50 bar, danach führt die integrierte Fail-Safe Funktion dazu, dass der Injektor nicht mehr öffnet. Der Berstdruck wurde auf 200 bar ausgelegt, was dem heutigen Stand der Speicherung von Erdgas in Fahrzeuganwendungen entspricht. Zur Überwachung der Funktionalität verfügt der Injektor über einen Nadelhubsensor. Des weiteren ist der Nadelhub über Distanzscheiben auf einen Hub bis zu 0,5 mm einstellbar. Bei 20 bar Einblasedruck ist ein Nadelhub von 0,25 mm ausreichend, um die volle Motorleistung zu gewährleisten. Ein Unterdrücken des Prellens der Injektornadel ist durch eine entsprechende Ansteuerung durch die Endstufe möglich. Weiter zeigte sich, dass vor allem im Homogenbetrieb ein sehr stabiler ballistischer Betrieb mit reduziertem Nadelhub möglich ist. Im Vergleich zu berechneten Homogenkennfeldern zeigt sich im am Prüfstand untersuchten Schichtbetrieb ein Verbrauchsvorteil von 25 % im Bestpunkt mit einem spezifischen indizierten Verbrauch von 198 g/kWh bei 2000 1/min und 3 bar indiziertem Mitteldruck. Die durchgeführten Fahrdynamikberechnungen auf Basis des Neuen Europäischen Fahrzyklus ergaben ein Verbrauchssenkungspotenzial von 23 % bei der Kombination von Schichtbetrieb und Abgasturboaufladung im Vergleich zum Serienstand mit Homogenbetrieb und Kompressoraufladung. Die Kombination Kompressoraufladung mit Schichtbetrieb ermöglicht eine Verbrauchsreduktion von ca. 8 %. Für das Referenzfahrzeug Mercedes E200 können damit die CO2-Emissionen auf 133 g/km gesenkt werden, was im Vergleich zur Benzin- variante (215 g/km) einer Minderung von 38 % entspricht.