Analyse und Optimierung der Gemischbildung und der Abgasemissionen kleinvolumiger Zweitakt-Ottomotoren
Tim Gegg
Der Zweitakt-Ottomotor besitzt gegenüber dem Viertakt-Ottomotor einige wesentliche Vorteile. Neben seinem einfachen Aufbau besticht er durch eine hohe Hubraumleistung und ein geringes Leistungsgewicht. Demgegenüber stehen sehr hohe Abgasemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, die vor allem aus dem offenen Ladungswechsel resultieren. Durch die steigenden Anforderungen an Motorkonzepte aufgrund der Abgasgesetzgebung ist es notwendig, den Zweitaktmotor grundlegend zu modifizieren. In jüngster Zeit wurden Motoren mit Ladungsschichtung entwickelt, die vor allem die hohen Kohlenwasserstoffemissionen drastisch reduzieren. Mittel- und langfristig wird der Zweitakt-Ottomotor nur konkurrenzfähig bleiben, wenn weitere Maßnahmen zur Emissionsminderung folgen. Mit Hilfe der Benzindirekteinspritzung ist eine Ladungsschichtung und somit eine Verringerung der Kohlenwasserstoffemissionen möglich. Durch geeignete Anordnung eines Einspritzventils kann der Kraftstoff zeitlich verzögert und räumlich getrennt zur einströmenden Luft in den Brennraum eingebracht werden. Die vorliegende Arbeit zeigt Untersuchungen zum Potenzials einer Kraftstoffeinspritzung hinsichtlich Reduktion der HC-Emissionen bei einem schlitzgesteuerten, kurbelkastengespülten Zweitakt-Ottomotor. Basierend auf Voruntersuchungen mit Hilfe der dreidimensionalen Strömungssimulation wurde ein Prototyp mit Benzineinspritzung auf Basis eines Zweitakt-Ottomotors aufgebaut. Verschiedene Einspritzventile wurden nach am Überströmkanal in unterschiedlichen Positionen angeordnet. Dadurch wurde eine zeitliche und räumliche Ladungsschichtung erreicht. Der Überströmkanal wurde als Einspritzort gewählt, da er die geringsten Anforderungen an das Ventil und das Kraftstoffsystem stellt. Im Rahmen der Arbeit konnten die Kohlenwasserstoffemissionen durch die Einspritzung um bis zu 60 Prozent in der Volllast reduziert werden. Dabei haben vor allem der Injektor, der Einspritzort und die Einspritzzeit einen erheblichen Einfluss. Als weiteres Potenzial des Systems zur Reduzierung der HC-Emissionen konnte im Rahmen der Arbeit die Umrüstung auf Getrenntschmierung identifiziert werden. Ergebnisse der 3-dimensionalen Strömungssimulation zeigen weiteres Potenzial die Spülverluste weiter zu reduzieren, indem die Geometrie Überströmkanäle weiter optimiert wird.
