Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beeinflussung der Wandwärmeverluste des Ottomotors mittels Beschichtung in Kombination mit Miller-Brennverfahren

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines hocheffizienten ottomotorischen Brennverfahrens als Kombination aus Miller-Brennverfahren und einer maßgeschneiderten, isolierenden Brennraumbeschichtung. Neben der maximalen Ausschöpfung des Wirkungsgradpotentials durch die Beschichtung in Kombination mit dem Miller-Brennverfahren stehen auch die thermodynamischen Quereinflüsse im Fokus. Dazu gilt es eine Methodik in Form verknüpfter Simulationswerkzeuge zu entwickeln, welche von Beginn an die relevanten Einflussgrößen für verschiedene Motorbetriebspunkte berücksichtigen kann. Abschließend sollen die gewonnen Erkenntnisse an einem Einzylinder-Forschungsmotor validiert und das Potential des neuen Brennverfahrens quantifiziert werden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen erstmalig die für das ottomotorische Brennverfahren optimalen Charakteristika einer isolierenden Brennraumbeschichtung als Kompromiss zwischen reduzierten Wandwärmeverlusten und negativen Effekten wie z. B. eine erhöhte Klopf- oder Vorentflammungsneigung identifiziert und deren material- bzw. produktionstechnische Umsetzbarkeit untersucht werden.

Neben den bekannten Vorteilen des Miller-Brennverfahrens werden in Kombination mit einer maßgeschneiderten Beschichtung folgende Vorteile erwartet:

- Durch das reduzierte effektive Verdichtungsverhältnis kann einer erhöhten Klopfneigung auf Grund

der Brennraumisolierung entgegengewirkt werden.

- Ausschöpfung einer auf Grund der Beschichtung erhöhten Abgastemperatur über verlängerte

Expansion und Turboaufladung.

Neben der direkten Beteiligung von KMU in dem Projekt helfen und unterstützen die Forschungsergebnisse KMU indem Potentiale identifiziert, Produktanforderungen definiert und neue Anwendungsgebiete für Beschichtungen und deren Prüfmethoden erschlossen werden. Durch die Kopplung von Brennverfahrensentwicklung und Materialforschung stehen KMU fachübergreifende Erkenntnisse zur Verfügung.

Ergebniszusammenfassung:

Im vorliegenden FVV Forschungsprojekt wurde das Wirkungsgradpotenzial einer Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxid (YSZ)-Beschichtung auf der Kolbenoberfläche in Ottomotoren zur Reduzierung der Wandwärmeverluste untersucht. Durch Optimierung des Beschichtungsprozesses und Erhöhung der Porosität konnte die mittlere Wärmeleitfähigkeit auf 0,7 W/(mK) reduziert werden. Der Einfluss der thermischen Kolbenbeschichtung auf den Verbrennungsprozess zeigte sich in 3D-CFD-Simulationen des Motorenzyklus in einer Erhöhung der Klopfneigung in Folge höherer Wandtemperaturen, die ein Rückzug des Zündzeitpunkts um 0,75 °kW erforderlich macht. Darüber hinaus wurde anhand von 3D-CFD Simulationen ein thermisches Beschichtungsmodell für die Motorprozesssimulation entwickelt. Das thermische Beschichtungsmodell zeigte eine sehr gute Vorhersagekraft hinsichtlich der Reduzierung der Wandwärmeverluste und wurde für verschiedene Sensitivitätsstudien verwendet. Die Potenziale zur Steigerung des effektiven Wirkungsgrades im Motorkennfeld lagen auf einem relativ niedrigen Niveau von 0,2...0,3 %. Experimentelle Untersuchungen mit einem Einzylindermotor bestätigten den geringen Einfluss der Beschichtung auf den Wirkungsgrad, der nur schwer zu identifizieren war. Insgesamt kam es jedoch zu einer leichten Erhöhung der Stickoxidemissionen sowie zu einer Erhöhung der Abgastemperatur um 4 K, so dass von einer erhöhten Prozesstemperatur im Brennraum ausgegangen werden kann. Zusammen mit einer Verringerung der HC-Emissionen ist eine Steigerung des Wirkungsgrades zu erwarten. Dies steht jedoch im Gegensatz zur dynamischen Messung der Kolbentemperaturen, die im beschichteten Fall eine Erhöhung der Strukturtemperaturen um 2 K ergab.