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M. Mayer:
"Einfluss der Motorölspezifikationen sowie unterschiedlicher Kraftstoffeigenschaften auf das Vorentflammungsverhalten von hochaufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotoren";
Supervisor, Reviewer: P. Hofmann, F. Winter; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2015; oral examination: 2015-11-19.

The next targets of future CO2 emissions represent a major challenge for gasoline engines. The current trend towards even smaller engine displacements and simultaneously increasing specific performance, so called downsizing engines, will increase continuously. Downsized gasoline engines are an important concept for the reduction of fuel consumption and emissions. In this case, the engine displacement is reduced to shift the operating points to more fuel-efficient regions. In order to ensure no loss of power, as a result of this displacement reduction turbochargers are used. Due to the resulting higher specific performance of the engines, it can, however - especially at full load and low speeds - come to the occurrence of new combustion anomalies referred to as Low Speed Pre-Ignitions (LSPI). The premature ignition of the air-fuel mixture prior the spark ignition leads to a significant increase in pressure and temperature of the end gas, thus increasing the risk of end gas knocking. This phenomena, which often leads to potentially damaging peak cylinder pressures, is the most important factor limiting further downsizing and the potential CO2 benefits that it could bring.

Previous studies have identified several potential triggers for pre-ignition where engine oil seems to have an important influence. Furthermore, wall wetting and subsequently oil dilution by impinging fuel on the cylinder wall seem to have a significant impact in terms of accumulation and detachment of oil droplets in the combustion chamber. The detachment of oil droplets from the piston crevice volume occurs near top dead center, these evaporate to subsequently form an ignitable mixture. If the surrounding fuel-air mixture ignites before initiating the spark, it is called a pre-ignition. In addition to engine oil properties the fuel characteristics according to wall wetting and oil dilution have a major consequence on the mechanism of oil-induced pre-ignitions. For this reason the interaction of fuel and engine oil at the combustion chamber walls was investigated in a comprehensive parameter variation. Furthermore, the focus of this thesis was on the influence of different engine oil specifications on their pre-ignition tendency at the test bench. In addition, the effects of various test fuels as well as these of combustion chamber deposits on the occurrence of pre-ignitions were examined in a further step.

Um die künftigen CO2-Zielvorgaben für Personenkraftwagen einzuhalten, wurden in den letzten Jahren im Bereich der Ottomotoren vermehrt hubraumreduzierte Motoren in Kombination mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung forciert. Diese, so genannten, Downsizingmotoren mit erhöhter spezifischer Leistung und angepasster Getriebeübersetzung, zur Lastpunktverschiebung in wirkungsgradgünstigere Kennfeldbereiche, erlauben eine signifikante Verbrauchsreduktion im Vergleich zu einem entsprechenden hubraumstärkeren Saugmotor.
Die erhöhten spezifischen Leistungen dieser Downsizingmotoren verschärfen allerdings die Klopfproblematik und führen zu weiteren Verbrennungsanomalien im Bereich niedriger Drehzahlen und Volllastbedingungen, so genannte Vorentflammungen, welche bisher von Saugmotoren nicht bekannt waren. Hierbei erfolgt eine sporadische Selbstentzündung des Kraftstoffs vor Einleitung mit dem Zündfunken. Die frühe Verbrennungslage einer Vorentflammung, verbunden mit deutlich erhöhtem Spitzendruck sowie starkem Klopfen, birgt sehr hohes Schadenspotential, welches bis zum Motorschaden führen kann. Damit stellt das Auftreten von Vorentflammungen, einhergehend mit dem Verlust der Kontrolle über den Verbrennungsprozess, aktuell den limitierenden Faktor für weitere Effizienzsteigerungsmaßnahmen beim Ottomotor dar.
Nach derzeitigem Forschungsstand gilt Motoröl, welches aus dem Ringspaltbereich in den Brennraum gelangt, als wesentliche Ursache für das Auslösen von Vorentflammungen. Verstärkt wird der Effekt durch zunehmende Schmierölverdünnung, hervorgerufen durch Wandbenetzung des direkt in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffes. Das Ablösen von Öltropfen aus dem Kolbenringspalt erfolgt im Bereich des oberen Totpunkts, wodurch diese verdampfen und in weiterer Folge ein zündfähiges Gemisch bilden. Ist dieses in der Lage das umgebende Kraftstoff-Luft-Gemisch vor Einleitung
des Zündfunkens zu zünden, spricht man von einer Vorentflammung. Neben den Motoröleigenschaften gelten auch Kraftstoffeigenschaften mit Einfluss auf Wandbenetzung und Schmierölverdünnung als wesentlicher Einflussfaktor auf den Ablösemechanismus ölinduzierter Vorentflammungen bei heutigen Downsizingmotoren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Hypothese anhand umfangreicher Parametervariationen verifiziert. Des Weiteren lag der Fokus auf dem Einfluss verschiedener Motorölspezifikationen auf das Vorentflammungsverhalten am Motorprüfstand. Zusätzlich wurden in einem weiteren Schritt der Einfluss verschiedener Versuchskraftstoffe sowie die Auswirkungen von Brennraumablagerungen auf das Auftreten von Vorentflammungen aufgezeigt.