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C. Sporrer:
"Innovative Zündung: Untersuchungen in einer Verbrennungsbombe";
Supervisor: B. Geringer, J. Graf; E315 Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2010; final examination: 2010-10-13.

Ein Schwerpunkt der momentanen Entwicklung beim Ottomotor liegt in der Erzielung eines geringeren Teillastverbrauches. Neben einer geringeren Reibung und einem hohen bzw. variablen Verdichtungsverhältnis wird die Erhöhung des Wirkungsgrades durch spezielle Teillastbrennverfahren (Ladungsschichtung, homogene Ladungsverdünnung, HCCI-Verfahren) und eine Verlagerung der Betriebspunkte in Richtung höherer Mitteldrücke angestrebt.
Eine wichtige Möglichkeit zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs stellen dabei die Benzin-Direkteinspritzung mit strahlgeführter Ladungsschichtung und die Entdrosselung mittels Abgasrückführung sowie durch den homogenen Magerbetrieb dar. Allerdings erfordert eine schadstoffarme und effiziente Verbrennung bei einer Ladungsverdünnung (Magerbetrieb, Abgasrückführung) eine intensive Strömung (Drall, Tumble, Turbulenz) im Zylinder. Das sichere Entflammen von verdünnter Ladung ist daher ein Kriterium für zukünftige Zündsysteme. Gleichzeitig stellt das strahlgeführte Brennverfahren durch die unmittelbar nebeneinander liegende Anordnung von Zündkerze und Injektor ebenfalls zusätzliche Anforderungen an das Zündsystem. Ein weiteres wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung wird mit der Aufladung bzw. dem Downsizing von Verbrennungsmotoren ermöglicht. Hohe Ladungsdichte im Zylinder erhöht entscheidend den Zündspannungsbedarf der Zündanlage.
Das konventionelle Zündsystem ist daher bei diesen erwähnten Motorkonzepten ein stark limitierender Faktor bei weiterer Steigerung der Leistungsdichte, Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Annäherung an das thermodynamische Grenzpotenzial.
Um zukünftige Zündsysteme hinsichtlich Zündspannung, Zündenergie und Anwendung von Mehrfachfunken im Vergleich zu einem konventionellen Zündsystem bewerten zu können, werden in dieser Arbeit Entflammungsuntersuchungen eines Methan-Luft-Gemisches im ruhenden Medium, in einer sogenannten Verbrennungsbombe, durchgeführt. Die Zündung des Gemisches erfolgt insgesamt mit sechs Funkenzündanlagen und zwei alternativen Zündsystemen der sog. Korona- und der Laserzündung. Die Funkenzündanlagen werden mit vier verschiedenen Zündkerzentypen untersucht. Die Entflammung erfolgt bei stöchiometrischem und magerem Gemisch sowie bei unterschiedlich hohen Drücken. Eine optische Diagnostik nach dem Prinzip der Schlierenaufnahmen, ermöglicht eine zusätzliche Erfassung der Verbrennungseinleitung und der ersten Phase der Energieumsetzung.
Die Verbrennung in einer Druckkammer (= Verbrennungsbombe) ermöglicht im Gegensatz zu einem Motorprüfstand den problemlosen Aufbau der notwendigen optischen Komponenten für die Schlierenbeobachtung. Druck und Temperatur können näherungsweise an die Motorbedingungen angepasst werden. Die realen Strömungsverhältnisse im Motor können in der Verbrennungskammer nicht nachgebildet werden. Dennoch liefern Verbrennungsversuche in einer Druckkammer erste Ergebnisse für eine schnelle und zusätzliche Beurteilung von Zündsystemen.
Die Verbrennungsversuche zeigen, dass die Ausführung der Elektroden der Zündkerze einen starken Einfluss auf den Zündspannungsbedarf bei hohen Drücken hat, sowohl der Elektrodenabstand und Durchmesser der Mittelelektrode selbst als auch die Kontur der Masselektroden. Ein zu geringer Elektrodenabstand bewirkt einen langsameren Druckanstieg nach Zündung im Vergleich zu den übrigen Zündkerzen. Die Anordnung der Masseelektrode beeinflusst auch die Ausbreitungsrichtung des Flammenkerns.
Zündsysteme mit hoher Funkenenergie zeigen Vorteile gegenüber konventionellen Systemen bei der Verbrennung von mageren Gemischen, wobei die Mehrfachfunkenzündung hinsichtlich des Druckanstieges sowohl für magere als auch für stöchiometrische Verhältnisse Vorteile besitzt. Die bekannten Vorzüge der Mehrfachfunken (sichere Zündung in turbulentem Medium) sind in der Verbrennungsbombe beschränkt auf den höheren Energieeintrag an das Methan-Luft-Gemisch. Die Koronazündung indiziert im Vergleich zu den übrigen Zündanlagen die mit Abstand schnellste Druckänderung in der Verbrennungsbombe, zeigt allerdings Probleme bei der Standfestigkeit während des Messprogramms. Ein zu geringer Isolationswiderstand bei einigen Zündkerzen erzeugt mit einigen Zündsystemen bei hohen Sekundärspannungen unerwünschte Funkendurchschläge. Die Laserzündung entflammt das Gemisch problemlos bei hohen Drücken sowie magerer Gemischzusammensetzung, und die Erhöhung der Laserenergie bewirkt einen kürzeren Zündverzug.
Die grundlegenden Experimente in der Verbrennnungsbombe bestätigen bekannte Zusammenhänge und zeigen einen ersten Funktionstest alternativer Zündsysteme. Bei hohem Zünddruck und magerer Gemischzusammensetzung haben sich die Mehrfachfunkenzündung und die Spulenzündung mit hoher Funkenenergie als vielversprechende Zündsysteme für Prüfstandsversuche herausgestellt. Die Laserzündung liefert ebenfalls gute Ergebnisse in diesem Messpunkt, sie steht aber in naher Zukunft für Serieneinsätze nicht zur Verfügung. Um die Eignung und Vorteile der alternativen Zündsysteme im Vergleich zu den konventionellen Zündsystemen festzustellen, ist es notwendig, diese im realen Betrieb an einem Motorprüfstand zu untersuchen.