Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Öl-Eintrag aus externen Quellen im Ansaugtrakt als Ursache für Vorentflammungen beim turboaufgeladenen Ottomotor

Mit diesem Forschungsvorhaben sollen zwei Hauptziele verfolgt werden. Eines der beiden Hauptziele ist das detaillierte Verständnis des Einflusses von Öl Eintrag im Ansaugtrakt auf die Vorentflammungsneigung hubraumreduzierter, turboaufgeladener Ottomotoren mit Direkteinspritzung. Durch Untersuchungen an einem modernen Turbo-DI-Ottomotor soll das Vorentflammungsverhalten mit verschiedenen Motorölen und Motorkonfigurationen analysiert werden. Dabei soll einerseits die Bildung von Öltropfen, die vom Durchblasegas und der Aufladeeinheit stammen, und andererseits deren Auswirkung hinsichtlich der Vorentflammungsneigung quantifiziert werden. Durch Anwendung der numerischen Simulation können die Trajektorien und die damit verbundene Verweilzeit der Öltropfen im Ansaugtrakt dargestellt und erklärt werden. Grund-legende Untersuchungen zum Selbstzündverhalten von Öltropfen bzw. Öltropfenwolken im Einhubtriebwerk tragen zum Verständnis der Selbstzündneigung unter motorrelevanten Bedingungen bei.

Das zweite Hauptziel stellt, auf Basis des entwickelten Verständnisses, die Ableitung von Empfehlungen und Hilfestellungen bei der Auslegung von Ölabscheidern, Turboladern und Ventilschaftdichtungen dar, wodurch sich direkt der Nutzen für die industrielle Anwendung, insbesondere bei KMU, ergibt. Mithilfe der Ergebnisse hinsichtlich der für Vorentflammungen kritischen Öltropfenverteilung und Konzentrationen können die genannten Bauteile optimiert werden. Dadurch kann das Auftreten von Vorentflammungen bei modernen Ottomotoren reduziert und höhere Downsizinggrade erlaubt werden.

Neben der direkten Beteiligung von KMU im projektbegleitendem Ausschuss helfen und unterstützen die Forschungsergebnisse KMU indem Potentiale identifiziert und Produktanfordungen für ölführende Bauteile im Ansaugtrakt definiert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die steigende Leistungsdichte moderner hochaufgeladener Ottomotoren begünstigt das Auftreten von Vorentflammungen, einer Verbrennungsanomalie, dessen grundlegende Ursache auch in der Zündung an Öltropfen vermutet wird. Mit diesem FVV Vorhaben wurde das Ziel verfolgt, den Einfluss von extern in den Luftpfad eingetragenen Öltropfen auf das Auftreten von Vorentflammungen, sowie die Entstehung von Partikelemissionen in aufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung grundlegend zu untersuchen.

Untersuchungen im Einhubtriebwerk zeigen, dass Vorentflammungen reproduzierbar erzeugt werden können, wenn größere Mengen Öl als Wandfilm appliziert werden und nicht als Einzeltropfen unterschiedlicher Größe. Mittels kontrolliertem Öleintrag in den Luftpfad des Vierzylinder-Versuchsmotors konnte erfolgreich eine kritische Grenze des zugeführten Ölmassenstroms von ca. 40 g/h mit einem mittleren Tropfendurchmesser von 1.5 µm im Aerosol festgestellt werden, ab der die initiale Vorentflammungsrate gegenüber dem Grundniveau signifikant erhöht ist. Am Einhubtriebwerk wie auch am Motorprüfstand konnte kein Einfluss der Ölzusammensetzung auf die Vorentflammungsrate ermittelt werden.

Detaillierte numerische Untersuchungen konnten die mittlere von jedem Zylinder angesaugte Ölmasse pro Zyklus mit der experimentell ermittelten zylinderindividuellen Vorentflammungshäufigkeitsverteilung korrelieren. Zusätzlich konnte ein thermo-mechanischer Effekt des Verdichterlaufrades auf die Öltropfen ermittelt werden, sobald diese das Laufrad passiert haben.