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N. Bobicic:
"Ermittlung des Kraftstoffeinflusses auf die Ottomotorische Vorentflammung und Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Bestimmung der Vorentflammungsstabilität von Kraftstoffen";
Supervisor, Reviewer: P. Hofmann, H. Eichlseder; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik(IFA), 2021; oral examination: 2020-09-02.

The desired increase in efficiency of internal combustion engines requires a reduction of their displacement, which is called downsizing. To keep the performance at least equal, or to increase it, the supercharging is a necessary and established means. Due to the high degree of supercharging, there is, in addition to the well-known and easily controllable knocking, another phenomenon (predominantly
at lower speed) occurs: the pre-ignition. The causes of this phenomenon with a very high damage potential could not be clearly clarified for a long time despite intensive research work. In particular, a decisive step towards clarification in the present work using video technology could be taken regarding the characteristic pattern of the pre-ignition occurring in series. Fuel plays a crucial role in an engine's sensitivity to such phenomena. For some time now, the automotive industry has wanted to create a classification number that reflects the stability of a fuel against pre-ignition, analogous to the established
classification numbers RON and MON. In the present work, a test engine and a test procedure have been developed for testing of the tendency to pre-ignite in stationary operation. The influence of the evaporative cooling of a fuel can be specifically assessed by setting different intake temperatures. Furthermore, it is possible to inter its reaction kinetic 'properties. The investigated matrix of fuels showed the strongly positive influence of evaporative cooling with alcohol fuels, which is assessed too weakly by the RON and MON. The favorable effect of the aromatics was also confirmed. Studies on a series engine in stationary operation were able to show the limits of a fuel test, because in addition to the direct influence of the ignition properties, the deposit building of the fuel also plays a major role, on which the operating parameters in turn have an influence, for example coolant temperature. In particular, the long-term influence of the previous partial load operation of different fuels could be examined in this work. The focus here was on poor fuel quality (increased tendency to form deposits), as can occur in some global markets, and the negative impact of some components, such as manganese, was shown. Finally, the possibility of keeping the combustion chamber clean using fuel additives was assessed. So-called keep-clean additives (permanent use to keep them clean) were able to achieve a positive effect in some cases, but in some cases there was a deterioration. The clean-up additives examined here (intended for workshop use) led to a deterioration. In full-load operation, the additives used tended to increase the tendency to pre-ignite and to deteriorate the exhaust gas behavior (increase of the filter smoke number).
The present work provides a comprehensive overview of the influence of fuel on the tendency to pre-ignite in supercharged gasoline engines. This includes both a possibility of fuel testing and the demonstration of the long-term influence of different fuels. In addition, cleaning additives were examined with a view to avoiding pre-ignition. There is still a need to optimize additives, so that further research is
being carried out.

Die angestrebte Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren erfordert die Verkleinerung deren Hubraums, dabei spricht man vom Downsizing. Um dabei die Performance dennoch zumindest gleich zu halten, oder auch zu steigern, ist die Aufladung ein nötiges und etabliertes Mittel. Durch hohe Aufladegrade kommt es aber neben dem hinreichend bekannten und gut beherrschbaren Klopfen, vorwiegend bei niedriger Motordrehzahl zu einem weiteren Phänomen, der ottomotorischen Vorentflammung. Die Ursachen dieses Phänomens mit sehr hohem Schädigungspotential konnten trotz intensiver Forschungstätigkeit lange nicht eindeutig geklärt werden. Insbesondere zu dem charakteristischen Muster der in Serien auftretenden Vorentflammungen konnte in der vorliegenden Arbeit mittels Videotechnik ein entscheidender Schritt zur Klärung gesetzt werden.

Der Kraftstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Sensitivität eines Motors gegenüber solchen Phänomenen. Seitens der Automobilindustrie besteht seit geraumer Zeit der Wunsch nach der Schaffung einer Kennzahl, die die Stabilität eines Kraftstoffs gegenüber Vorentflammungen wiedergibt, analog zu den etablierten Kennzahlen ROZ und MOZ. In der vorliegenden Arbeit wurde hierzu ein Versuchsträger aufgebaut und ein Prüfverfahren entwickelt, das die Vorentflammungsneigung im Stationärbetrieb abbilden kann. Durch Einstellung unterschiedlicher Saugrohrtemperaturen kann gezielt der Einfluss der Verdampfungskühlung eines Kraftstoffs bewertet werden, weiters ist es möglich auf seine reaktionskinetischen Eigenschaften zu schließen. Bei der untersuchten Matrix an Kraftstoffen zeigte sich der stark positive Einfluss der Verdampfungskühlung bei Alkoholkraftstoffen, der durch die ROZ und MOZ zu schwach bewertet wird. Ebenfalls konnte die günstige Wirkung der Aromaten bestätigt werden.

Untersuchungen an einem Serienmotor im Stationärbetrieb konnten die Grenzen einer Kraftstoffprüfung aufzeigen, denn neben dem unmittelbaren Einfluss der Entflammungseigenschaften spielt auch das Verhalten des Kraftstoffs bezüglich der Bildung von Ablagerungen im Brennraum eine große Rolle, auf die wiederum die Betriebsparameter einen großen Einfluss haben, zum Beispiel die Kühlmitteltemperatur. Insbesondere konnte in dieser Arbeit der Langzeiteinfluss vom vorangegangenen Teillastbetrieb unterschiedlicher Kraftstoffe untersucht werden. Hier wurde der Fokus auf eine schlechte Kraftstoffqualität (erhöhte Neigung zur Ablagerungsbildung) gelegt, wie sie in manchen Weltmärkten vorkommen kann, und dabei wurde der negative Einfluss einiger Komponenten aufgezeigt, zum Beispiel Mangan. Abschließend wurde die Möglichkeit der Brennraum-Reinhaltung durch Kraftstoffadditive bewertet. Sogenannte Keep-Clean Additive (dauerhafte Anwendung zur Reinhaltung) konnten zum Teil eine positive Wirkung erzielen, teilweise ergab sich leider eine Verschlechterung. Die hier untersuchten Clean-up Additive (zur Werkstattanwendung vorgesehen) führten zu einer Verschlechterung. Im Volllastbetrieb neigten die verwendeten Additive zu einer Erhöhung der Vorentflammungsneigung sowie zu einer Verschlechterung des Abgasverhaltens (Rauchzahlerhöhung). Die vorliegende Arbeit liefert einen umfassenden Überblick zum Kraftstoffeinfluss auf die Vorentflammungsneigung in hoch aufgeladenen Ottomotoren. Dies beinhaltet sowohl eine Möglichkeit der Kraftstoffprüfung wie auch das Aufzeigen des Langzeiteinflusses unterschiedlicher Kraftstoffe. Darüber hinaus wurden Reinigungsadditive hinsichtlich der Vermeidung von Vorentflammungen untersucht. Bei der Optimierung der Additive besteht noch Bedarf, sodass hierzu weitere Forschungstätigkeiten durchgeführt werden.