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J. Dedl, O. Budak, K. Heufer:
"Entwicklung geeigneter Kennzahlen und Korrelationen für die Charakterisierung von Ottokraftstoffen sowie alternativenKraftstoffen mit Bioanteilen zur Beschreibung abnormaler Verbrennungsphänomene";
Talk: FVV Frühjahrstagung 2018, Deutschland | Bad Neuenahr (invited); 2018-03-22 - 2018-03-23; in: "Frühjahrstagung 2018", Heft R582 (2018) (2018), 321 - 360.

Modern boosted spark ignition engines are subject to an increased risk of abnormal combustion due to higher specific power output and the increased utilization of biogenic fuel components like ethanol. Nowadays the phenomenon called pre-ignition (PI) marks a serious challenge to engine development. In order to make further progress in engine development, solving the issue of pre-ignition is one of the major goals.
This FVV project had the aim to define a characteristic fuel number and a corresponding test procedure, which captures a fuels pre-ignition sensitivity. Several approaches were followed for this purpose. Engine based procedures on a CFR (Cooperative Fuel Research) test engine and a single cylinder research engine (SCE) were included as well as fundamental evaluations of ignition delay of premixed air-fuel mixtures. These ignition delay experiments were conducted on a rapid compression machine and an automated facility for ignition delay measurements of non-premixed air-fuel mixtures (AFIDA - Advanced Fuel Ignition Delay Analyzer). Another way to address the investigations was to define a fuel´s pre-ignition sensitivity based on its chemical composition.
The CFR-test was based on a modified CFR engine incorporating two fuel numbers. One is the so called Hot Spot Pre-Ignition Number (HSPI) which quantifies the fuel´s sensitivity towards surface induced pre-ignition. The other number is the Compression Pre-Ignition Number (CPI) which expresses the gas-phase auto-ignition tendency of a fuel. A large variety of over 30 fuels was introduced in this ongoing project to validate the fuel numbers on a broad scale.
Simplified engine process simulations reveal that the air-fuel mixture is operated in completely different chemical reaction regimes in the CFR engine and in the SCE due to differences in the intake air conditions of the engines. Correspondingly the CPI test procedure on the CFR engine got modified to correlate with modern engine conditions. By supercharging and intercooling the intake air of the CFR engine a significant correlation of determination R² of 90 % to a fuel´s behavior in modern engines is achieved. The results obtained from AFIDA tests and state-of-the-art engine measurements show a significant correlation of determination R² of more than 80 %.
Extensive experimental and numerical investigation show that flow dynamics have a considerable influence on a fuel´s glow ignition tendency. Therefore the results of the HSPI at the CFR engine could not be correlated to the glow ignition characteristics at the single cylinder engine. Further research is necessary to fully understand the fundamentals of surface ignition. This could not be done in the remaining time of this project.
An evaluation of the pre-ignition behavior based on the fuel composition was found to be insufficient. The complexity of potential molecules in gasoline fuels is not captured by an industrially applicable gas chromatography.

Die steigende Leistungsdichte moderner hochaufgeladener Ottomotoren und die Kraftstoffbeimischung biogener Anteile wie Ethanol begünstigen das Auftreten von Verbrennungsanomalien. Aus heutiger Sicht stellt besonders das Phänomen der Vorentflammung (VE) eine Herausforderung für die Motorenentwicklung dar, weshalb es für die weiterführende Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist, die Ursache der Verbrennungsanomalie zu vermeiden.
Mit diesem FVV-Vorhaben wurde das Ziel verfolgt, eine Kennzahl zu ermitteln, welche den Kraftstoffeinfluss auf die Vorentflammung bewertet. Hierbei wurde zwischen der Selbstzündung an einer heißen Oberfläche (Glühzündung) und jener infolge einer kritischen Gasphase unterschieden.
Zur Charakterisierung eines Kraftstoffes bzw. seiner Vorentflammungsneigung wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt. Motorische Verfahren in einem modifizierten CFR (Cooperative Fuel Research)-Prüfmotor und einem seriennahen Einzylinder-Forschungsmotor wurden ebenso untersucht, wie die fundamentale Bewertung des Zündverzuges vorgemischter Luft-Kraftstoff-Proben. Die Zündverzugsanalysen wurden in diesem Zusammenhang in einem Einhubtriebwerk (Rapid compression machine) und einer automatisierten Vorrichtung zur Messung von Zündverzugszeiten nicht vorgemischter Luft-Kraftstoff-Proben (AFIDA - Advanced Fuel Ignition Delay Analyzer) vorgenommen.
Ein weiterer Ansatz der Kraftstoffbewertung war die Charakterisierung des Vorentflammungsverhaltens mittels der Stoffzusammensetzung des Kraftstoffes auf Basis einer gaschromatografischen Analyse (PIONA).
Grundlage der CFR-Messverfahren bildet ein modifizierter CFR-Prüfmotor, auf welchem zwei Kraftstoffkennzahlen zur Bewertung der Vorentflammungsneigung gemessen werden. Die sogenannte Hot Spot Pre-Ignition Number (HSPI) quantifiziert dabei die Neigung eines Kraftstoffes an einer heißen Oberfläche im Brennraum zu zünden. Die Compression Pre-Ignition Number (CPI) wiederum dient der Bewertung der Selbstzündung aus der kritischen Gasphase. Im Sinne der umfassenden Validierung dieser Kennzahlen wurde in diesem FVV-Projekt eine komplexe Kraftstoffmatrix mit mehr als 30 Kraftstoffen herangezogent.
Vereinfachte Motorsimulationen zeigen auf, dass die unterschiedlichen Ansaugbedingungen der Motoren dazu beitragen, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum in grundlegend unterschiedlichen Regimen der Zündchemie geführt wird.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde eine Modifikation des CPI-Verfahrens am CFR-Prüfmotor vorgenommen. Mittels externer Aufladung und Ladeluftkühlung ist es möglich die CFR-Betriebsbedingungen jener von modernen Aggregaten anzunähern und eine
signifikante Übereinstimmung der Vorentflammungstendenzen von mehr als 90% zu erzielen.
Zwischen den Ergebnissen des AFIDA und den Daten der modernen Versuchsträger lässt sich ebenfalls eine deutliche Korrelation mit einem Bestimmtheitsmaß von über 80 % aufzeigen.
Hinsichtlich der oberflächeninduzierten Vorentflammung (Glühzündung) haben umfassende experimentelle sowie numerische Untersuchungen unter anderem einen erheblichen Einfluss der Strömungsbedingungen auf das Glühzündungsverhalten aufgezeigt. Dementsprechend ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse vom CFR-Motor (HSPI) auf die Glühzündungstendenzen am modernen Versuchsträger nicht ausreichend gegeben und bedarf zusätzlichen Forschungsaufwandes, welcher im Zuge dieses FVV-Vorhabens nicht mehr durchführbar war.
Eine Bewertung des Vorentflammungsverhaltens auf Grundlage der Kraftstoff-zusammensetzung hat sich als unzureichend erwiesen. Die industriell einsetzbare, gaschromatografische Analyse (GC-Analyse) von Ottokraftstoffen schlüsselt die Komplexität der potenziellen Kraftstoffspezies nicht detailliert genug auf.