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G. Prochazka:
"Selbstzündungsphänomene bei hochaufgeladenen Ottomotoren Einflussfaktoren, Wirkmechanismen und Abhilfemaßnahmen";
Supervisor, Reviewer: B. Geringer, F. Winter; E 315 Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau, 2007; oral examination: 2007-05-07.

Bei den Bestrebungen den Kraftstoffverbrauch zu senken und damit den fossilen Energieverbrauch und die CO2-Emissionen zu minimieren, sind hochaufgeladene Motoren, die über möglichst den gesamten Drehzahlbereich ein hohes Mitteldruckniveau bereitstellen, ein sehr interessanter Lösungsansatz. Diese als Downsizing beschriebene Strategie zeichnet sich durch eine Hubraumverkleinerung mit einer dadurch verbundenen Betriebspunktsverlagerung aus und ist bei Dieselmotoren bereits Stand der Technik.
Beim Ottomotor ist der maximal umsetzbare Ladedruck neben der bekannten Klopfbegrenzung jedoch auch durch die unerwünschte Selbstentflammung limitiert. Dies gilt sowohl bei äußerer (MPFI) als auch bei innerer (DI) Gemischbildung. Dadurch ist der maximal erreichbare Mitteldruck insbesondere im unteren Drehzahlbereich begrenzt. Somit ist auch der Grad des Downsizings limitiert. Das Problemfeld kann sowohl durch moderate Verdichtungsverhältnisse als auch durch starke Gemisch-anreicherung zu höheren Aufladegraden verschoben werden. Diese Strategie stellt den derzeitigen Stand der Technik dar. Beide Maßnahmen bedeuten jedoch systemimmanente Nachteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs, einmal in der Teillast und einmal an der Volllast.
Daher ist das Ziel, Abhilfemaßnahmen ohne negative Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch zu finden, um ein Downsizing-Konzept dennoch erfolgreich umzusetzen. Die Entwicklung dieser Lösungen setzt ein tief greifendes Verständnis der Einflussgrößen und der Wirkmechanismen, welche Selbstzündungen hervorrufen, voraus. Dabei sind insbesondere die spezifischen Unterschiede zwischen Kanal- und Direkteinspritzung zu beachten.

Im experimentellen Teil dieser Arbeit konnten durch Anwendung mehrerer verschiedener Untersuchungsmethoden wie Parametervariationen am Motorenprüfstand und optischer Messtechniken die irregulären Verbrennungsabläufe verifiziert werden. Es wurden unterschiedliche Auslösemechanismen der Selbstzündung festgestellt. Beim kanaleinspritzenden Motor konnte eine schlechte Gemischbildung, die zu einer erhöhten Wandfilmbildung im Brennraum führte, als wesentliche Ursache für diese Selbstzündungsphänomene gefunden werden.
Im Fall der Direkteinspritzung können mehrere verschiedene Mechanismen kausal sein. Durch Kombination von Lichtleitmesstechnik und bildgebender Videotechnik wurden Zündquellen zentral im Brennraum diagnostiziert. Es zeigten sich einzelne Reaktionsherde die kurz vor einer Selbstzündung meist im Bereich der Zündkerze auftraten und als Zündquellen interpretiert wurden. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse haben diese Reaktionsherde ihren Ursprung in losgelösten Ablagerungen in einem vorangegangenen Zyklus.
Daher sind mögliche Maßnahmen zur Vermeidung der irregulären Verbrennungsvorgänge an einem Motor mit Direkteinspritzung auf die jeweiligen Entstehungsmechanismen abzustimmen, weshalb es hier keine allgemein gültige Lösung geben kann.
Die Ergebnisse der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Simulation der Verbrennungschemie zeigen, dass eine Absenkung der Verdichtungsendtemperatur das größte Verbesserungspotential aufweist. Die Temperaturabsenkung kann neben konventionellen Methoden durch alternative Steuerzeitkonzepte erreicht werden.

Ein weiterer entscheidender Einflussfaktor der Selbstzündungen sind die Eigenschaften der verwendeten Kraftstoffqualität bezüglich der Reaktionsfreudigkeit. So zeigte beispielsweise die Beimischung von Ethanol zum Standardkraftstoff Eurosuper ein hohes Potential für die Vermeidung irregulärer Verbrennungsabläufe.