VKM_I_Kap.6

Über den Brennstoff wird dem Motor chemisch gebundene Energie zugeführt. Durch Verbrennung wird diese Energie zunächst in thermische und anschließend in mechanische Energie umgewandelt. Der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff stammt aus der Umgebungsluft und wird in den Brennraum eingebracht. Kraftstoff und Luft müssen zu einem zündfähigen Gemisch aufbereitet werden.

siehe Bild

6.1. Zuteilung von Luft und Kraftstoff

Neben der Kraftstoffzerstäubung und der Kraftstoffverdampfung ist natürlich auch das sogenannte Luft-Kraftstoffverhältnis für eine optimale Verbrennung von elementarer Bedeutung. Hierbei muss grundsätzlich zwischen der Quantitätsregelung (Ottomotor) und der Qualitätsregelung (Dieselmotor) unterschieden werden. Quantitätsregelung bedeutet, dass bei annähernd konstantem Luftverhältnis die in den Zylinder strömende Gemischmenge durch ein Drosselorgan (i.d.R. eine Drosselklappe) geregelt wird. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der Qualitätsregelung eine bedarfsgerechte Kraftstoffzumessung durch Variation der Einspritzmenge, woraus ein variables Lambda resultiert.

6.1.1. Zuteilung von Luft siehe Bild

6.1.2. Zuteilung von Kraftstoff beim Ottomotor

Das Gemischbildungsorgan beim Ottomotor hat die Aufgabe:

• Das gewünschte Luft-/ Kraftstoffgemisch zu erzeugen
• Korrekturen verschiedener Einflussfaktoren (Motortemperatur, Zustand des Motors, Abgasgegendruck, etc.) durchzuführen

Zur Erzielung optimaler Betriebszustände sind folgende Gemischzusammensetzungen notwendig:

• Volllast: Fettes Gemisch für optimale Leistung angestrebt (λ= 0,85)
• Teillast: Mageres Gemisch für geringen Kraftstoffverbrauch bei optimalen Emissionen angestrebt (λ= 1,0)
• Beschleunigen: Geänderte Kraftstoffzufuhr wegen Wandanlagerungen notwendig (Wandfilmkorrektur)
• Verzögern: Geänderte Kraftstoffzufuhr wegen Abdampfvorgängen; im Schubbetrieb abschalten der Kraftstoffzufuhr

Abbildung 6-3 und Abbildung 6-4 zeigen aus verschiedenen Lastanforderungen resultierende l-Kennfelder für homogen und mit Schichtladung betriebene Ottomotoren.

6.1.3. Zuteilung von Kraftstoff beim Dieselmotor

Die Zuteilung des Kraftstoffs beim Dieselmotor ist abhängig von der Momentenanforderung. Die maximale Einspritzmenge wird durch die zur Verfügung stehende Luftmenge begrenzt. Durch die in der Nähe des stöchiometrischen Gemisches auftretende Rußgrenze ist beim Dieselmotor ein fetter Motorbetrieb nicht möglich. Abbildung 6-6 zeigt ein aus verschiedenen Lastanforderungen resultierendes λ-Kennfeld für einen DI-Dieselmotor ohne externe Abgasrückführung.

6.2. Kraftstoffzerstäubung

Die Zerstäubung des Kraftstoffs erfolgt in der Regel mit einer Einspritzdüse oder mit einem Einspritzventil. Die Kraftstoffzerstäubung (Tröpfchengröße) wird durch die folgenden Größen beeinflusst:

• Differenz aus Einspritzdruck und Gegendruck (Saugrohr oder Brennraumdruck)
• Ladungsbewegung
• Düsengeometrie
• Brennraumgeometrie und -temperatur

Der Durchmesser der eingespritzten Kraftstofftröpfchen ist entscheidend für die Verdampfungszeit, die näherungsweise mit dem Quadrat des Tropfendurchmessers zunimmt. Typische Tröpfchendurchmesser liegen im Bereich von 10-25 μ, wobei auch größere Tropfen entstehen können [MAY99]. Neben der Tropfengröße ist auch noch die Tropfengrößenverteilung (siehe Abbildung 6-7) zu beachten, da sich beide Eigenschaften maßgeblich auf das Emissionsverhalten des Motors auswirken.

Abbildung 6-7 zeigt beispielhaft den sog. mittleren Sauter-Tröpfchendurchmesser am Ottomotor.

Der Sauterdurchmesser gibt dabei das Verhältnis von mittlerem Tropfenvolumen zur mittleren Tropfenoberfläche in einem abgegrenzten Messvolumen an

Die Verdampfung der Kraftstofftropfen umfasst den Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase. Vereinfacht betrachtet stellt man sich z.B. eine mit heißer Luft gefüllte Kugel (Verbrennungsbombe) vor, worin sich ein der stöchiometrischen Luftmenge entsprechendes einzelnes Kraftstofftöpfchen befindet. Der Kraftstofftropfen wird durch die heiße Umgebungsluft erhitzt, was an seiner Oberfläche zum Abdampfen von Kohlenwasserstoffen führt. Zuerst dampfen dabei die niedrig siedenden und dann die höher siedenden Kohlenwasserstoffe ab. Im Laufe des Abdampfvorgangs vermischt sich der Kraftstoffdampf mit der Luft. In Abbildung 6-9 sind die Verläufe qualitativ dargestellt. Nach hinreichend langer Zeit ist der gesamte Kraftstoff verdampft und mit der Luft vermischt. Abbildung 6-9 zeigt auch, dass während des Verdampfungsvorgangs extrem unterschiedliche λ-Verhältnisse vorliegen. Zu Beginn beträgt das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Kraftstofftropfen λ = 0 und im restlichen Brennraum λ = unendlich. Für Ottomotoren mit λ-1-Konzept liegt nach der Verdampfung ein homogenes Gemisch mit λ= 1,0 vor. Beim Dieselmotor stellt sich ein globales λvon 1,0 ≤λ≤7,0 ein.

In Abbildung 6-10 sind tendenziell die Verläufe der Kraftstoffaufbereitung (Verdampfung) für die verschiedenen Gemischbildungsvarianten dargestellt. Je nach Qualität der Kraftstoffzerstäubung ergeben sich entsprechende Verschiebungen der Verläufe; grundsätzlich zeigt sich aber folgendes Bild:

MPFI:

Der Kraftstoff wird in das Saugrohr eingespritzt und dort in der Größenordnung von 40 % verdampft. Nach Öffnen des Ansaugventils kommt es im Ventilspalt zu hohen Gasgeschwindigkeiten und der flüssige Kraftstoffanteil zerstäubt hier während des Ansaugvorgangs. Im Verlauf des Ansaugtaktes verdampfen die Kraftstoffbestandteile, deren Siedeverlauf im Bereich der Brennraumtemperatur liegen. Der bis zum unteren Totpunkt noch nicht verdampfte Kraftstoff erfährt durch die nachfolgende Kompression eine Temperaturerhöhung und verdampft dabei vollständig. Die MPFI ist heute soweit optimiert, dass die Verdampfungsqualität und die Homogenität als sehr gut anzusehen sind.

DI – Ottomotor mit Einspritzung im Saugtakt:

Der Kraftstoff verdampft überwiegend im Brennraum während des Saugtaktes, so dass die Verdampfungswärme eine entsprechende Absenkung der Brennraumgastemperatur bewirkt. Tritt dieser Effekt am Ende des Ansaugvorgangs auf, so kann dies zu einer Erhöhung der Ansaugluftmenge führen. Die Zeit für die Homogenisierung und Verdampfung ist noch ausreichend, so dass bei richtiger Einspritzstrahlauslegung (keine Wandbenetzung) der Grad der Homogenisierung denen der MPFI entspricht

DI-Ottomotor mit Einspritzung im Kompressionstakt:

Der Kraftstoff muss auf Grund der gewünschten Schichtung gut zerstäubt sein, da die für die Verdampfung zur Verfügung stehende Zeit deutlich geringer ist, als bei den beiden oben aufgeführten Verfahren. Ziel des Verfahrens ist es, um die Zündkerze herum ein zündfähiges Gemisch zu bilden.

DI-Ottomotor geschichtet und DI-Dieselmotor:

Bei beiden Motorvarianten wird der Kraftstoff erst kurz vor Brennbeginn eingespritzt. Somit ist die Gemischaufbereitung weitgehend von der Qualität der Kraftstoffzerstäubung abhängig. Hohe Kraftstoffeinspritzdrücke sind daher ein vorrangiges Ziel bei der Auslegung.

Beim Dieselmotor ist die extrem kurze Aufbereitungszeit nicht relevant, da grundsätzlich jedes Tröpfchen seine eigene Brennzone ausbildet und daher zu Brennbeginn nur ein kleiner Teil verdampft sein muss. Beim DI-Ottomotor hingegen muss zu Brennbeginn der überwiegende Anteil des Kraftstoffs verdampft sein (Entflammung an der Zündkerze).

Diese Variante des Ottomotors ist zwar hinsichtlich der möglichen Entdrosselung durch die Qualitätsregelung und dem damit einhergehenden Magerbetrieb grundsätzlich das beste DI-Otto-Verfahren; die bei der technischen Realisierung einzugehenden Kompromisse (DeNOx-Katalysator) machen den theoretischen Verbrauchsvorteil jedoch wieder weitgehend zunichte. Hinzu kommt die doch merkbare Gefahr der Rußbildung ähnlich wie beim Dieselmotor (unvollständige Gemischaufbereitung). Will man hier entsprechende Fortschritte erzielen, muss die gesamte Einspritzanlage vor allem bezüglich des maximalen Einspritzdrucks und der Strahlausbildung verbessert werden