Browsing by Author "Trump, Martin Christian"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Untersuchung eines Koronazündsystems im Motorbetrieb
(2014) Trump, Martin Christian; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)
Die verschiedenen Ansätze zur innermotorischen Wirkungsgradsteigerung, sei es durch erhöhtes Downsizing, die Ausweitung des Schichtladebetriebs, AGR-Konzepte oder die Verwendung alternativer Kraftstoffe, benötigen zu ihrer Umsetzung und den zuverlässigen Betrieb neue Technologien in der Gemischaufbereitung, aber auch der Gemischzündung. Aus diesem Grund wurde in letzter Zeit vermehrt das Augenmerk auf verschiedene alternative Zündsysteme gerichtet. Eines der vielversprechenden Konzepte stellt hierbei das Koronazündsystem des Automobilzulieferers BorgWarner BERU Systems dar. Die Koronazündung hat das Potenzial alle genannten Kriterien zu erfüllen und darüber hinaus rechtzeitig vor dem Wirksamwerden der EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen, welche vorsieht, bis 2020 den CO2-Ausstoß von Pkw-Neufahrzeugen auf durchschnittlich 95 g/km zu limitieren, in Serienanwendungen einzumünden. Im Gegensatz zur Transistorspulenzündung entsteht bei einer Koronazündung das Plasma nicht zwischen Mittel- und Masseelektrode, sondern zwischen Zündkerzenspitze und der als Masse wirkenden Kolben- oder Brennraumwandoberfläche. Die Koronaspannung wird über eine Resonanztransformation erzeugt, wobei die Zündkerze mit integrierter Resonanzspule den Resonanzschwingkreis bildet. Zusätzlich tragen allerdings auch das Zündspulengehäuse, die Zündleitung und der Brennraum aufgrund ihres minimalen kapazitiven und resistiven Effekts einen kleinen Teil zum Schwingkreis bei. Die Anregung erfolgt bei etwa 1 MHz über ein separates Steuergerät. Das Zündsystem ist daher auch als Hochfrequenzzündung bekannt. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die grundlegenden Vorteile des Hochfrequenzzündsystems (HFZ) gegenüber der konventionellen Transistorspulenzündung (TSZ) im Motorbetrieb herauszuarbeiten. Zur Durchführung des Vergleichs wurden die Zündsysteme an einen Einzylinder-Forschungsmotor mit Direkteinspritzung und variabler Ventilsteuerung adaptiert. Die thermodynamische Analyse zeigte, dass der Vorteil der Koronazündung vor allem auf der erhöhten Zündstabilität basiert. Durch die im Vergleich zur Transistorspulenzündung erheblich beschleunigte Verbrennung des Gemisches im Bereich vor Erreichen des 1% Massenumsatzpunktes kann eine sehr viel präzisere Entflammung erfolgen. Der Brennverzug ist je nach Betriebspunkt um 5 bis 15 °KW verkürzt. Der Vorteil macht sich besonders bei schlecht entflammbaren Gemischen bemerkbar, da aufgrund der im Gegensatz zur Spulenzündung weiterhin guten Laufruhe bzw. den geringen Zyklenschwankungen ein optimales Einstellen der Schwerpunktlage möglich ist. Die Zündstabilität kann in der Folge zum Beispiel zur weiteren Entdrosselung durch Abgasrückführung und somit zur Verbrauchssenkung beitragen. Auch im Magerbetrieb oder an der Klopfgrenze punktet die Koronazündung durch den präziseren Brennbeginn. Eine weitere Aufgabe der Untersuchung war die Analyse von elektrischen Signalen und Regelgrößen des Koronazündsystems mit dem Ziel, Störungen oder Beeinflussungen im Motorbetrieb zu identifizieren. Neben den Spannungs- und Stromsignalen zählt hierzu vor allem die Resonanzfrequenz des Hochfrequenzschwingkreises. Mittels einer Sensitivitätsanalyse stellte sich heraus, dass die Resonanzfrequenz vor allem Temperaturdrifts oder Frequenzänderungen durch die Korona- und Verbrennungsionisation unterliegt. Eine Analyse der Spannungssignale stellte darüber hinaus mögliche Verbesserungspotentiale bezüglich der softwaretechnischen Spannungsregelung dar. Der grundlegende Regelungsalgorithmus des Zündsystems stellte sich allerdings als robust und als im gesamten Kennfeld anwendbar heraus. Da der Brennraum einen kleinen Teil des Koronaschwingkreises darstellt, sollte zudem untersucht werden, inwieweit mögliche Störungen der Resonanz dahingehend analysiert und genutzt werden können, um Aussagen über die Verbrennung treffen zu können. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die HF-Signale grundsätzlich zur Verbrennungsdiagnose herangezogen werden können. So wurden zum einen die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse erneut aufgegriffen, um anhand der Frequenzänderungen während der Zünddauer eine Brennbeginndetektion auszuarbeiten. Der ermittelte Brennbeginn kann durchschnittlich 6 °KW früher erkannt werden, als dies durch eine Analyse des Druckverlaufs möglich ist. Eine Verifizierung zeigte, dass hierbei eine Genauigkeit von ±2 °KW gewährleistet werden konnte. Eine weitere Diagnosemöglichkeit stellt die ausgearbeitete Klopferkennung dar. In der Volllast wurden die HF-Signale analysiert, um die den Klopfschwingungen vorausgehende abnormale Verbrennung bzw. Detonation von der normalen Verbrennung zu unterscheiden und anhand der Höhe der Frequenzverschiebung auf die Intensität des Klopfens zu schließen. Ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen Frequenzverschiebung und Klopfspitze wurde erkannt, wodurch die Eignung zur Diagnosefunktion bestätigt werden konnte.