Tracer-LIF-Techniken als Werkzeug zur Optimierung moderner direkteinspritzender Ottomotoren

Moderne Antriebskonzepte zeichnen sich mittlerweile auch im ottomotorischen Bereich durch den Einsatz der Kraftstoffdirekteinspritzung aus. Allein aus dieser Umstellung ergibt sich bereits eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber den konventionellen Brennverfahren mit Saug-rohreinspritzung. Durch die Kombination mit anderen Techniken, wie z.B. Downsizing, Aufladung oder variabler Ventilsteuerung, und unter Ausnutzung von Synergieeffekten kön-nen diese noch beträchtlich gesteigert werden. Bedingt durch die komplexe Überlagerung der innermotorischen Prozesse sowie deren Interaktion innerhalb der Wirkkette der motorischen Verbrennung resultieren daraus jedoch auch eine Vielzahl neuer Fragestellungen und Heraus-forderungen. Der Einsatz von optisch zugänglichen Motoren und die Verwendung laser-optischer Messmethoden haben sich in diesem Zusammenhang als unerlässliche Analyse-werkzeuge erwiesen. Diese erlauben, dank der rückwirkungsfreien Messung mit hoher räum-licher und zeitlicher Auflösung, eine detaillierte Untersuchung physikalischer und chemischer Prozesse innerhalb der Wirkkette der motorischen Verbrennung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden an einem Transparentmotor auf Basis eines modernen, direkteinspritzenden Otto-motors zwei Varianten der laserinduzierten Fluoreszenz eingesetzt, um den Einfluss des in-nermotorischen Strömungsfeldes auf die Gemischbildung, Restgasverteilung und Ladungs-temperatur zu untersuchen. Die Bestimmung der Temperatur- und Restgasverteilung erfolgte mit Hilfe der Zwei-Wellenlängen-LIF-Technik (Wellenlängenpaarung 248/308 nm) und dem Tracer Aceton. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wurde aus der Anregung des Fluoreszenzfarb-stoffs Triethylamin mit Hilfe eines KrF-Excimer Lasers ermittelt. Der Einsatz beider Mess-techniken erfolgte zweidimensional, quantitativ und in unterschiedlichen Einkopplungs- und Beobachtungsebenen. Ausgehend vom Gemischbildungsprozess bei komplexer, überlagerter Strömung und direkter Kraftstoffeinspritzung erfolgten sowohl Vergleiche mit Referenzsitua-tionen wie etwa der äußeren Gemischbildung als auch separate Analysen der einzelnen
Bewegungskomponenten Drall und Tumble. Dabei konnte der Einfluss dieser Strömungs-komponenten auf den Gemischbildungsprozess herausgearbeitet und die Ursachen für die mangelhafte Gemischaufbereitung im Basisfall identifiziert werden. Durch Untersuchungen der Restgas- und Temperaturverteilung konnten jedoch auch die positiven Auswirkungen der komplexen Strömung aufgezeigt werden. Mittels einer Veränderung der Einspritzparameter konnte abschließend ein Lösungsweg präsentiert werden, welcher eine Ausnutzung der positi-ven Effekte der überlagerten Drall- und Tumblebewegung erlaubt und gleichzeitig die Bereit-stellung eines reaktionsfähigen Gemisches zum Zündzeitpunkt verbunden mit einer schnellen und vollständigen Umsetzung der Ladung gewährleistet.