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Ionenstrom als Sensorsignal der dieselmotorischen Verbrennung
Dr. Heiko Kubach Universität Karlsruhe Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher Zusammenfassung der Dissertation Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung der dieselmotorischen Verbrennung hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen. Gerade im Zuge der aktuellen Diskussionen über die Umweltbelastung durch Autoabgase und insbesondere über die Feinstaubproblematik, kommt der Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß, hier vor allem dem Rußausstoß, besondere Bedeutung zu. Hier spielen nicht nur technische Fakten und Grenzwerte eine Rolle, sondern auch die emotionale Akzeptanz zukünftiger Fahrzeugantriebe in der Bevölkerung. Bisher erhält man bei Dieselmotoren keine direkte Rückmeldung über den Verbrennungsablauf. Auch die Beeinflussung des Verbrennungsablaufs ist nur indirekt möglich. Kann man z.B. beim Ottomotor den Beginn der Verbrennung direkt über den Zündzeitpunkt steuern, so ist dies beim Dieselmotor nur durch eine Kombination der Einspritzparameter wie Beginn und Dauer der Vor- und Haupteinspritzung möglich. Allerdings stellt dies nur eine indirekte Beeinflussungsmöglichkeit dar, da der zwischen Einspritzung und Brennbeginn liegende Zündverzug von vielen Randbedingungen wie beispielsweise Kraftstoffqualität oder Lufttemperatur abhängt. Der innovative Ansatz der Arbeit liegt nun darin, ein Sensorsignal zu generieren, das eine direkte Rückmeldung der Verbrennungsparameter aus dem Brennraum liefert und damit letztendlich eine Regelung der verbrennungsbeeinflussenden Parameter (z.B. Einspritzung) ermöglicht, so dass ein bestimmter Verbrennungsparameter (z.B. Brennbeginn) auf einen gewünschten Zielwert eingestellt werden kann. Von besonderer Bedeutung für solch einen Zielwert sind Brennbeginn und Schwerpunktlage der Verbrennung sowie die Abgasrückführrate (AGR-Rate). Diese bestimmen maßgeblich den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffentstehung. Dazu wurde mit Hilfe einer Ionenstromsonde die Ionenkonzentration im Brennraum gemessen. Der Verlauf dieser Ionenkonzentration lässt zahlreiche Rückschlüsse auf die Verbrennung zu. Anhand einer umfassenden Datenbasis bei Variation der Parameter Vor- und Haupteinspritzung, AGR-Rate, Einlassströmung, Motortemperatur, Einspritzdüsengeometrie, Position und Design der Sonden sowie Kraftstoffadditiven konnten die entsprechenden Auswirkungen anhand des Ionenstroms erkannt werden. Des weiteren können Fehlfunktionen wie nicht funktionierende Ansaugkanalabschaltungssysteme oder Einspritzdefekte, die durch Alterung, Verschleiß oder Injektorschäden auftreten können, eindeutig detektiert werden. Im Hinblick auf die industrielle Anwendbarkeit im Serieneinsatz, wurde auf einen einfachen und kostengünstigen Aufbau der Messtechnik Wert gelegt. So kann als Ionenstromsonde ein leicht modifizierter ohnehin vorhandener Glühstift Verwendung finden, so dass kein zusätzlicher Zugang zum Brennraum notwendig ist. Auch der Aufwand der Auswerteelektronik ist gering. Da für die Auswertung des Sensorsignals – also des Ionenstroms – kein aufwändiges Postprocessing notwendig ist, können die erforderlichen Rechenalgorithmen in bestehende Steuergeräte implementiert werden. Dies ist ein großer Vorteil im Vergleich zu anderen Verfahren, wie der Druckverlaufsanalyse, die in der Forschung verwendet wird, deren Serieneinsatz aber bisher an der Komplexität und den Kosten gescheitert ist. Betrachtet man die Bedeutung für die Wissenschaft, so kann die Verbrennungsregelung nach der Einführung der Direkteinspritzung und der Common-Rail-Systeme ein weiterer Technologiesprung sein. Im Hinblick auf die in der Forschung befindlichen HCCI-Brennverfahren ist eine Regelung des Brennbeginns unumgänglich. Weiterführende Arbeiten [1] haben gezeigt, dass das hier vorgestellte Verfahren für solch eine Regelung genutzt werden kann. Des weiteren kam die hier entwickelte Technik bereits in dem Magerbrennverfahren BPI zur Lambdabestimmung an der Zündkerze zum Einsatz. Aufgrund der schnellen Auswertealgorithmen könnte die Ionenstrommesstechnik beispielsweise auch zur Implementierung von Onlineauswertungen in Indiziersystemen dienen. Der Nutzen für die Umwelt liegt zum einen in der Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, der durch die Optimierung der Verbrennungslage und des Verbrennungsablaufs erreicht werden kann. Die resultierende Reduktion des CO2-Ausstoßes vermindert den Treibhauseffekt. Zum anderen trägt eine ionenstrombasierte Verbrennungsregelung zur Verminderung der Schadstoffentstehung bei. In einem beispielhaften Betriebspunkt wurden allein durch die ionenstrombasierte Optimierung der Voreinspritzmenge die Ruß- und NOx-Werte im Abgas um 10% gesenkt. Das Potential ist damit aber bei weitem noch nicht ausgereizt. Eine umfassende Applikation des Sensorsignals könnte zu weit höheren Reduktionen führen. Betrachtet man die Anwendung der Ionenstromtechnik beispielsweise in HCCI-Motoren als notwendige Regelungsgröße, so leistet sie einen Beitrag zu einer Reduktion der Schadstoffe Ruß und NOx um über 90% [1]. [1] M. Günthner: Untersuchung der Eigenschaften und Kontrollmöglichkeiten der homogen kompressionsgezündeten Verbrennung von Ottokraftstoff. Dissertation, Universität Karlsruhe, 2004 < zurück |
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