Partikelemission von Ottomotoren mit Direkteinspritzung

Motiviert durch die Einführung der EU6-Emissionsrichtlinien im Jahr 2014 wurden in dieser Arbeit die motorischen Abschnitte Gemischbildung und Kraftstoffaufbereitung, Verbrennung sowie das Abgasverhalten selbst an einem optisch zugänglichen Ottomotor mit Direkteinspritzung und strahlgeführtem Brennverfahren hinsichtlich der partikulären Emissionen in experimenteller Weise charakterisiert. Die Rußbildung und -oxidation in der ottomotorischen Verbrennung ist ein sehr komplizierter und vielschichtiger Prozess und stellt den komplexesten Teil der Emissionsanalyse dar. Zur Optimierung der Brennverfahrens- und Einspritzstrategien hinsichtlich einer minimalen Emission von Rußpartikeln, wurden innovative laseroptische Messkonzepte mit hoher zeitlicher Auflösung ausgewählt, eingesetzt und zur Analyse der innermotorischen Prozesse weiterentwickelt. Durch den Einsatz dieser planaren Bildgebungsmethoden konnte die Bewertung einer Vielzahl von Parametereinflüssen auf die Partikelentstehung vorgenommen werden. Das Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zum Verständnis der Rußentstehungsprozesse zu leisten, um zukünftige Motorengenerationen zielgerichtet optimieren zu können. Prinzipiell wurde die Strategie eines mehrphasigen Ansatzes verfolgt, der eine qualitative Visualisierung innerhalb des Brennraums sowie eine quantitative Analyse der Rußpartikelemission im Abgas beinhaltet. Durch die synergetische Anwendung verschiedener Messkonzepte konnte Aussagen über die örtliche und zeitliche Lage der Rußpartikelentstehung im Brennraum sowie über die tatsächlich emittierten Rußpartikel in Abhängigkeit von Parametereinflüssen getroffen werden. Zur Charakterisierung der Güte der Kraftstoffaufbereitung und Gemischbildung sowie der Wandfilmbildung im Brennraum, wurde die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) mit einer zeitlichen Auflösung von 6 kHz herangezogen. Der Einsatz von Highspeed-LIF stellt einen messtechnischen Fortschritt dar und erlaubt die Analyse einzelner Arbeitsspiele inklusive zyklischer Schwankungen. Die Verbrennung selbst wurde mit zwei verschiedenen Messkonzepten analysiert. Zum Einen durch die optische Hochgeschwindigkeitsanalyse des Rußeigenleuchtens simultan von der Seite und von unten in den Brennraum. Zum Anderen wurde die laserinduzierte Inkandeszenz (LII) am Ottomotor adaptiert und erfolgreich angewendet. Im Brennraum selbst diente die zweidimensionale Detektion des LII-Signals der Bestimmung der Rußvolumenkonzentration. Zusätzlich wurde im Abgasstrang des Versuchsträgers die zeitaufgelöste LII eingesetzt, um Informationen hinsichtlich polydispersen Partikelgrößenverteilungen zu erhalten. Die sehr hohe Güte der hierbei gewonnenen Aussagen, wurde im Rahmen einer Kreuzkorrelation mit einem Partikelspektrometer verifiziert. Außermotorisch wurden die genannten Messkonzepte zusätzlich durch die Bestimmung der Schwärzungszahl im Abgasstrang sowie durch mikroskopische Untersuchungen von Partikelproben ergänzt. Des Weiteren konnte eine Machbarkeitsstudie für einen völlig neuartigen Messansatz durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang wurde das Anwendungsspektrum von LII erweitert, indem die zweidimensionale LII mit der zeitaufgelösten LII kombiniert wurde. Mit Hilfe dieser Herangehensweise können nun neben Aussagen zur Partikelkonzentration simultan Werte für die Partikelgröße für eine identische Aufnahme angegeben werden. Diese neuartige Methodik erlaubt es, die Rußpartikelentstehung detaillierter als zuvor untersuchen zu können und stellt damit ein sensibles Werkzeug zur zielgerichteten Analyse und anschließenden Optimierung der Partikelemission dar. Das Novum dieser Arbeit besteht neben der erstmalig durchgeführten simultanen Anwendung der zweidimensionalen und der zeitaufgelösten LII in der konsequenten, wenn möglich gleichzeitigen, Anwendung von aussagekräftigen Messkonzepten zur Charakterisierung der Gemischbildung und Verbrennung hinsichtlich der partikulären Emissionen. Durch die Überlagerung der Anwendungsbereiche der einzelnen Methoden konnte eine komplementäre Sicht der ablaufenden Vorgänge und Prozesse erhalten werden, was eine zielsichere Identifizierung der Einflussfaktoren auf die Partikelentstehung ermöglichte. Darüber hinaus konnte ein Ranking der Auswirkungen der einzelnen motorischen Parameter auf die emittierten Partikel erarbeitet werden. Diese Untersuchungsreihen stellen daher einen wichtigen Beitrag für ein tiefergehendes Verständnis der innermotorischen Gemischbildungs- und Verbrennungsprozesse in Bezug auf die partikulären Emissionen dar und bieten eine sehr breite Grundlage, um in weiterführenden Forschungsarbeiten den im Rahmen dieser Arbeit eingeschlagenen Weg fortzusetzen.