Charakterisierung und Quantifizierung der Eigenschaften von Ethanolkraftstoffen im Hinblick auf Verbrennungsanomalien in Downsizing-Motoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurden Benzin-Ethanolgemische mit unterschiedlichem Ethanolanteil (E5, E25, E50, E75, E100) hinsichtlich ihres Klopfverhaltens und ihrer Gemischbildung untersucht. Hierzu wurden Experimente an einer optisch zugänglichen Druckkammer und an einem modernen Downsizing-Aggregat mit Direkteinspritzung und Aufladung durchgeführt. Die Unterschiede zwischen den Kraftstoffen wurden quantifiziert. Bereits die Analyse des Einspritzverhaltens an der Druckkammer ergab deutliche Unterschiede zwischen den Kraftstoffen, insbesondere hinsichtlich der Standzeit des Sprays sowie dessen Eindringtiefe. Durch die motorischen Experimente wurde nachgewiesen, dass ein steigender Ethanolgehalt bei allen untersuchten Drehzahlen zu einer Zunahme der Klopffestigkeit führte. Bei konstanter zugeführter Energie kann durch eine Erhöhung des Ethanolgehalts die Schwerpunktlage deutlich früher gewählt werden, wodurch der Wirkungsgrad signifikant zunimmt. Bei optimaler Schwerpunktlage war die Klopfgrenze bei hohem Ethanolanteil hin zu deutlich höheren Mitteldrücken verschoben. Auf Basis dieser Vorgehensweise wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung der Klopffestigkeit vorgeschlagen. Hierbei wird nicht nur die Klopffestigkeit des gasförmigen Kraftstoffs ermittelt, sondern durch Direkteinspritzung auch die Verdampfungsenthalpie berücksichtigt. Allerdings erfordert das Verfahren ein Aggregat mit hoher Spitzendruckfestigkeit, um auch zukünftige, teilweise deutlich klopffestere Kraftstoffe bei seriennahen Ladelufttemperaturen an die Klopfgrenze zu bringen. Durch eine Variation der Ladelufttemperatur wurde die Auswirkung einer erhöhten Sensitivität bei hohem Ethanolgehalt aufgezeigt. Bei hohen Ladelufttemperaturen ist der Vorteil einer Ethanolbeimischung geringer als bei geringen Ladelufttemperaturen. Eine Variation des Einspritzbeginns wies den klopfneigungsreduzierenden Effekt einer späten Einspritzung bei Kraftstoffen mit hoher Verdampfungsenthalpie nach. Der Abgleich von Direkteinspritzung mit äußerer Gemischbildung ergab, dass für Ethanolanteile über 50 % (V/V) Verbesserungen in der Klopffestigkeit primär auf die steigende Verdampfungsenthalpie zurückgeführt werden können, da bei äußerer Gemischbildung die Klopffestigkeit nur noch marginal gesteigert werden kann. Eine Einzelzyklenanalyse aller fünf Kraftstoffe an der Abbruchgrenze ergab, dass klopffeste Kraftstoffe aufgrund ihrer früheren Schwerpunktlage deutlich geringere zyklische Schwankungen aufweisen. Bei langsam umsetzenden Zyklen tritt keine klopfende Verbrennung auf. Schnell umsetzende Zyklen können eine Selbstentzündung nach sich ziehen. Immer dann, wenn aufgrund von zyklischen Schwankungen, beispielsweise in der Flammenausbreitung und in der Endgaszusammensetzung, ein kritischer Endgasbereich entsteht, der nicht vor seiner Selbstentzündung von der regulären Flammenfront erfasst wird, tritt Klopfen auf. Dieser Zusammenhang zeigte sich prinzipiell bei sämtlichen Kraftstoffen. Bei E5 und E25 war extremes Klopfverhalten festzustellen. Allerdings ergab die Analyse auch, dass die Regelbarkeit des Klopfens bei hohem Ethanolgehalt aufgrund der geringeren Zunahme des Spitzendrucks pro Inkrement des Zündzeitpunkts begünstigt wird. Die Lokalisierung der Klopforte ergab, dass die meisten Selbstzündungen auf der Einlassseite des Aggregats stattfanden. In Abhängigkeit des Ethanolgehalts waren leichte Unterschiede in den Verteilungen festzustellen. Lediglich bei E5 trat Klopfen häufig im Bereich der optischen Zugänge auf. Darüber hinaus zeigte sich, dass die bevorzugten Klopforte relativ unabhängig von der Klopfintensität sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Untersuchung der klopfenden Verbrennung bei Ethanolmischkraftstoffen an einem aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie. Berlin, Logos Verlag, 2016 (Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen, Bd. 1/2016). - ISBN 978-3-8325-4401-0. - 137 S.
Banzhaf, G.
