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A. Loch:
"Untersuchung der Ursachen für Kohlenwasserstoffemissionen beim Ottomotor mit homogener Selbstzündung (HCCI)";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): B. Geringer, H. Eichlseder; E 315 Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau, 2006; Rigorosum: 03.10.2006.

Ein Motor mit geringem Kraftstoffverbrauch und somit auch geringem Kohlenstoffdioxidausstoß, der die zukünftigen gesetzlichen Abgasvorschriften erfüllt und zum Fahrspaß des Kunden beiträgt, ist das Ziel der Forschung- und Entwicklungsarbeiten auf dem Motorensektor. Das im Forschungsstadium befindliche alternative Brennverfahren "Homogeneous Charge Compression Ignition" (HCCI) verspricht beim Ottomotor gute Verbrauchswerte bei geringen Stickoxidrohemissionen. Als gesetzlich begrenzte Abgasemissionen verbleiben bei diesem Brennverfahren zumeist erhöhte Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen. Um die Kohlenwasserstoffemissionen weiter reduzieren zu können, ist das Ziel dieser Arbeit, das Verständnis über die Ursachen und Quellen der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren mit Ottokraftstoff zu erweitern.
Nach der Beschreibung des HCCI Brennverfahrens werden zunächst die bekannten Kohlenwasserstoffquellen bei konventionellen Ottoverfahren geschildert und die bisherigen Erkenntnisse bezüglich Ursachen der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren aufgelistet. Es wird angenommen, dass viele vom konventionellen Ottomotor bekannten Ursachen für die Kohlenwasserstoffemissionen auch beim HCCI Brennverfahren gelten. Aus diesem Grund konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Verbrennung und die Gemischbildung, da hier die größten Unterschiede in den Brennverfahren vorliegen.
Zur Durchführung der Experimente wird ein moderner 1,6 l Serienmotor mit Direkteinspritzung der Volkswagen AG verwendet, der im Ventiltrieb für den HCCI Betrieb modifiziert ist. Ein schneller Flammenionisationsdetektor, "Kohärente anti-Stokes Raman Spektroskopie" Lasermesstechnik mit optisch zugänglichem Motor zur Messung der Ladungstemperatur, und kurbelwinkelaufgelöste Verbrennungsaufnahmen ergänzen die Standardmesstechnik.
Die Analyse der Messungen wird durch eindimensionale und dreidimensionale Strömungsberechnungen unterstützt.
Der Einfluss der Verbrennung auf die Kohlenwasserstoffemissionen wird anhand einzelner Variationen von Motorstellgrößen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Hauptquelle für Kohlenwasserstoffemissionen die reaktionsfreie Grenzschicht an der Brennraumwand ist, die von der Verbrennungslage abhängt. Dabei ist die zum Erreichen der Verbrennungslage verwendete Motorstellgröße von untergeordneter Bedeutung.
Die Untersuchung verschiedener Kolbenvarianten zeigt, dass die Spalträume, insbesondere der Kolbenfeuersteg, wie bei konventionellen Ottobrennverfahren einen großen Anteil an den Kohlenwasserstoffemissionen verursachen. Die direkte Kolbenbenetzung durch den Kraftstoffstrahl führt mit der Zeit zur Bildung einer Rußschicht auf dem Kolben und somit einem erhöhten Anstieg der Kohlenwasserstoffemissionen. Die Realisierung einer zusätzlichen Hochdrucksaugrohreinspritzung erlaubte einen größeren Einfluss auf die Gemischbildung zu nehmen, um z.B. die direkte Brennraumwandbenetzung zu vermeiden.
Ein Einfluss dieser Maßnahmen auf die Kohlenwasserstoffemissionen konnte nicht festgestellt werden, so dass die Aufbereitungsbedingungen im Brennraum als ausschlaggebend angesehen werden.
Zur Reduktion der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren eignen sich viele der beim konventionellen Ottomotor bekannten Maßnahmen wie Reduzierung des Feuerstegvolumens oder Vermeidung von Brennraumwandablagerungen (z.B. Rußschicht auf dem Kolben). Für die Kohlenwasserstoffemissionen speziell beim HCCI Brennverfahren ist die Verbrennungslage von Bedeutung. Denn unabhängig von der Stellgröße kann das Niveau der Kohlenwasserstoffemissionen unter Voraussetzung eines sinnvollen
Betriebs mit der Verbrennungslage beeinflusst werden. Somit sind beim HCCI Brennverfahren zur Abstimmung der optimalen Verbrennungslage neben Verbrauch, Drehmoment und Komfort die Kohlenwasserstoffemissionen zu berücksichtigen.