Die räumliche und zeitliche Stickoxidbildung wurde in einem optisch zugänglichen, direkteinspritzendem Ottomotor mit strahlgeführtem Brennverfahren untersucht. Dazu wurde eine Kombination von Laser-induzierter Fluoreszenz, UV-Chemilumineszenz und zyklusaufgelöster NO-Abgasanalyse eingesetzt. Zunächst ist ein passender experimenteller Aufbau, bestehend aus einem Transparentmotor und der notwendigen Instrumentierung, entwickelt worden. Dazu musste ein Einzylinder-Motor mit optischem Zugang entworfen und aufgebaut werden. Schlüsseleigenschaften sind das nach Vorgaben von der FEV gefertigte Kurbelgehäuse mit vollständigem Massenausgleich, ein verlängerter „Bowditch“- Kolben mit auswechselbarem Oberteil, ein Zylinderkopf mit Fenstern in den flachen Seiten des dachförmigen Brennraumes und ein Quarz-Zylinderrohr, das den vollen Hub abdeckt. Das strahlgeführte Brennverfahren erfordert eine Kolbenmulde. Da ein erheblicher Teil der Verbrennung in der Mulde stattfindet, war es nötig, diese zusätzlich zum Fenster im Kolbenboden mit seitlichen Fenstern zu versehen. Der optische Motor war die Voraussetzung, um optische Diagnose-Methoden zur Untersuchung des strahlgeführten Brennverfahrens anwenden zu können. Zyklusaufgelöste, simultane Messungen der OH-Chemilumineszenz und der NO-Konzentration mit Hilfe der Laser-induzierten Fluoreszenz, und schneller NO-Abgasanalyse ermöglichten eine ausführliche Darstellung des Stickoxid –Bildungsprozesses in diesem Motor. Die Haupt-Fehlerquellen sind die Absorption von Laser- und Signallicht durch CO2 und H2O und Fluoreszenzlöschung aufgrund der Abhängigkeit von den nicht bekannten Werten von lokaler Abgas-Temperatur und –Zusammensetzung. Die NO-Bildung bei früher und später Einspritzung (homogen und geschichtet) wurde verglichen. Starke räumliche Präferenzen und zyklische Schwankungen der NO-Bildung wurden abhängig vom Betriebsmodus des Motors beobachtet. Während die absolute Höhe der NO-Konzentration im Abgas im geschichteten Betrieb wesentlich niedriger ist, sind die zyklischen Schwankungen deutlich höher als im homogenen, stöchiometrischen Betrieb. Der Einfluss der Einlaßlufttemperatur und der simulierten Abgasrückführung wurde untersucht. Insgesamt wurde festgestellt, dass zyklusaufgelöste Daten erforderlich 10 sind, um die Unterschiede zu erklären, die zwischen den Betriebsbedingungen gefunden wurden, da die ausgeprägte Schichtung des Kraftstoffs zu großen räumlichen Gradienten der NO-Konzentration führt. Gemittelte NO-Verteilungen im Zylinder reflektieren den Bildungsprozess nur unzureichend, sondern zeigen eine geglättete Verteilung, die den gemittelten Chemilumineszenz-Daten zufolge sogar intuitiv widerspricht. Der starke Einfluß der ausgeprägten Kraftstoffschichtung wird auch von der zeitlichen Entwicklung der NO-Konzentrationen im Zylinder reflektiert. Räumlich gemittelte Höchstkonzentrationen können 2700 ppm für den Betriebspunkt mit 90 °C Einlass- Lufttemperatur ohne EGR erreichen. Im Vergleich dazu werden ungefähr 300 ppm im Abgas gemessen. Dieses Verhältnis ist für Ottomotoren hoch. Zieht man jedoch die starke Ladungsschichtung des strahlgeführten Brennverfahrens in Betracht, dann sind die Beobachtungen plausibel und werden durch die gemessenen hohen lokalen Konzentrationen untermauert.
展开▼
