Projekt 22203/01

Weiterentwicklung des BPI-Verfahrens (Bowl Prechamber Ignition) für die Benzin-Direkteinspritzung unter Einsatz einer variablen Einspritzstrahlgeometrie

Projektdurchführung

Universität Fridericiana Karlsruhe (TH) Institut für Kolbenmaschinen (IFKM)
Kaiserstr. 12
76131 Karlsruhe

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2-Emission beim Ottomotor stellt die Einführung der Direkteinspritzung (DE) die Einzelmaßnahme mit dem höchsten Einsparpotenzial dar.
Bei der technischen Umsetzung dieses Entwicklungsschrittes stellen die Zündstabilität, die Qualität und Konstanz der Gemischaufbereitung und die Erfüllung der Abgasgesetzgebung Schwierigkeiten dar, die einer breiten Markteinführung bisher entgegenstehen. Beim BPI-Verfahren (Bowl Prechamber Ignition) treten diese Probleme verfahrensbedingt erst gar nicht auf. Hierbei wird ein homogen mageres Grundgemisch durch eine Saughubeinspritzung erzeugt. Eine zweite Einspritzung im Kompressionshub platziert eine minimale Kraftstoffmenge am Zündort zur Gewährleistung optimaler Zündbedingungen. Nach erfolgter Zündung in einer Vorkammerzündkerze sorgen kräftige Fackelstrahlen für einen schnellen Umsatz des Grundgemisches.
Im abgeschlossenen DBU-Vorhaben (Az.: 17706) wurde das Potenzial des BPI-Verfahrens hinsichtlich der Entflammung und Verbrennung magerer Gemische in Verbindung mit einer drallvariablen Düse zur Erfüllung der Anforderungen an das Gemischbildungssystem für das BPI-Verfahren nachgewiesen.
Das Ziel des hier durchgeführten Vorhabens ist die Nutzung der Vorteile der drallvariablen Einspritzdüse zur Erzeugung einer dem BPI-Verfahren angepassten Gemischverteilung zur Darstellung des BPI-Verfahrens im gesamten Motorkennfeld.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten am IFKM bestehen aus Untersuchungen am BPI-Versuchsmotor, der im Rahmen des Projektes weiterentwickelt wird. Grundlagenuntersuchungen zur Gemischbildung und Verbrennung erfolgen mittels optischer Messtechniken. Ergänzend erfolgen numerische Untersuchungen des Motorprozesses, der Düseninnenströmung und der Kraftstoffstrahlausbreitung. Die Arbeiten am FiF bestehen in der Wei-terentwicklung der vom vorherigen Projekt vorhandenen drallvariablen Düse zur Erfüllung der Anforderungen des BPI-Motors im Last-Drehzahl-Kennfeld. Hierzu erfolgt die Anpassung des Einspritzsystems hinsichtlich Bauraumbedarf und Einspritzparameter an das Prüfstandsaggregat und das Verfahren.
Durch anschließende motorische Untersuchungen mit dem Gesamtsystem wird das Potenzial des BPI-Verfahrens hinsichtlich Verbrauch und Emissionen aufgezeigt. Hierbei werden Sondermesstechniken wie die kontinuierliche Gasentnahme und die Ionenstrommesstechnik eingesetzt.


Ergebnisse und Diskussion

Das in diesem Projekt weiterentwickelte BPI-Verfahren stellt eine Möglichkeit dar, die Schwierigkeiten strahlgeführter Benzindirekteinspritzungsverfahren zu umgehen, dabei aber deren Wirkungsgradvorteile voll auszunutzen. Der Bohrungsdurchmesser des aus dem Vorgängerprojekt vorhandenen BPI-Motors entspricht nicht dem aktueller Pkw-Motoren. Für die Durchführung dieses Projekts wurde daher ein neuer Versuchsmotor mit kleinerem, für moderne Motoren repräsentativem, Bohrungsdurchmesser konzipiert und umgesetzt. Neben Untersuchungen im bekannten Teillastbetriebspunkt pmi=3 bar, n= 2000 1/min erfolgte mit diesem Motor eine Ausweitung des BPI-Betriebs auf weitere Betriebspunkte im gesamten Motorkennfeld. Zunächst wurden motorische Untersuchungen am BPI-Motor des vorangegangenen Projekts durchgeführt. So konnte herausgearbeitet werden, dass die einfach zu handhabende Ionenstrommesstechnik zur Bestimmung der Gemischanreicherung an der Zündstelle und damit zur Regelung des BPI-Betriebs herangezogen werden kann. Außerdem wurde die Tauglichkeit der Vorkammerzündkerze für den Volllastbetrieb nachgewiesen. Hinsichtlich Klopfneigung und zyklischer Schwankungen zeigte die Vorkammerzündkerze sogar Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Hakenkerze. Die Auslegung und Konstruktion des neuen BPI-Motors mit reduziertem Bohrungsdurchmesser erfolgte unter Einsatz der 3D-CFD. Der Motor konnte somit von Anfang an hinsichtlich des BPI-Verfahrens optimiert werden. Nach Inbetriebnahme wurde der neue BPI-Motor mit einem Seriendrallinjektor betrieben und die Ergebnisse mit dem Vorgängermotor verglichen. Die Neukonstruktion zeigt gegenüber ihrem Vorgänger deutlich bessere motorische Kenngrößen. So sinkt der Verbrauch bei niedrigen zyklischen Schwankungen um bis zu 9%. Mittels verschiedener Einlegeelemente im Saugrohr, wurden unterschiedliche Zylinderinnenströmungen generiert und deren Einfluss auf den Motorprozess bestimmt. Ähnlich wie bei herkömmlichen Ottomotoren zeigte sich ein positiver Einfluss intensiver Ladungsbewegung auf die Verbrennung, ohne dass dabei Defizite bei der Gemischanreicherung durch die zweite Einspritzung in Kauf genommen werden mussten. Versuche mit der drallvariablen Düse zeigten schließlich, dass die Gemischbildung durch unterschiedli-che Einstellungen an der Düse zum Teil deutlich beeinflusst werden kann. Das Potential der neu entwi-ckelten Düse konnte dabei aufgrund des Prototypenstadiums noch nicht voll ausgeschöpft werden. Bei den abschließenden Versuchen zur Erweiterung des BPI-Kennfeldbereichs, die ausschließlich mit der drallvariablen Düse durchgeführt wurden, konnte gezeigt werden, dass das BPI-Verfahren in Verbindung mit Abgasrückführung eine wirksame und dennoch verbrauchsneutrale Maßnahme zur Reduktion der NOx-Emissionen darstellt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen wurden auf verschiedenen Fachveranstaltungen und durch sonstige Veröffentlichungen vorgestellt. Unter den wichtigsten sind:
Kettner, M.: Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Optimierung der Entflammung von mageren Gemischen bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung, Dissertation, Universität Karlsruhe, 2006
Lienig, U.: Einspritzdüsen mit variablem Drall - ein viel versprechendes Konzept zur aktiven Beeinflussung der Strahleigenschaften, 7. Dresdner Motorenkolloquium, 2007
Kettner, M.: A New Flame Jet Concept to Improve the Inflammation of Lean Burn Mixtures in SI Engines, SAE-Paper 2005-01-3688, 2005


Fazit

Mit der Portierung des BPI-Verfahrens auf einen Motor mit kleinerem Bohrungsdurchmesser ist es gelungen, dieses neue Brennverfahren an einem für heutige Motoren repräsentativen Aggregat darzustellen und gleichzeitig die motorischen Eigenschaften deutlich zu verbessern. Durch verschiedene Formen der Ladungsbewegung konnte dabei die Verbrennung positiv beeinflusst werden ohne dabei die Gemischanreicherung durch die zweite Minimaleinspritzung zu beeinträchtigen. Besonders in Verbindung mit Abgasrückführung besitzt das BPI-Verfahren das Potential in weiten Bereichen des Motorkennfelds einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigen NOx-Emissionen darzustellen. So konnten im Betriebspunkt pmi10 bar, n= 2000 1/min NOx-Emissionen von ca. 2g/kWh erzielt werden. Mit der Ionenstrommesstechnik konnte die Basis für die Regelung des BPI-Betriebs vorgestellt werden, so dass in jedem Betriebspunkt die optimale Gemischanreicherung gewährleistet werden kann. Die weiterentwickelte drallvariable Düse bietet genügend Einstellmöglichkeiten, um das Strahlbild an die Anforderungen der Gemischbildung des BPI-Verfahrens anzupassen. In den Untersuchungen konnte der Einfluss verschiedener Stellparameter auf die Verbrennung herausgearbeitet werden. Trotz des Prototypenstadiums der Einspritzdüse konnte damit deren besondere Eignung für das BPI-Verfahren bewiesen werden. Insgesamt steht mit dem BPI-Verfahren in Verbindung mit der drallvariablen Düse und der Abgasrückführung ein in naher Zukunft um-setzbares Motorkonzept zur Verfügung, das im Vergleich zu heutigen Motoren bei verbessertem Wirkungsgrad deutlich geringere NOx- und HC-Emissionen verspricht. Zudem ist, verglichen mit strahlge-führten Direkteinspritzungsverfahren, die ähnliche Vorteile wie das BPI-Verfahren aufweisen, der Entwicklungsaufwand deutlich geringer.