Aus: Kraftfahrzeugtechnik 39 1989

Zur Benzineinspritzung in Zweitakt-Ottomotoren

Dozent Dr.-Ing. M Behrens (KDT), Dipl.-Ing. Chr. Olbrich (KDT).
Ingenieurschule Zwickau, Sektion Kraftfahrzeugtechnik (Direktor: Prof. Dr.-Ing. Meißner)

Ausgehend von den Vorschriften, die die Schadstoffgrenze in den Abgasen von PKW - Ottomotoren festlegen, wird seit einiger Zeit über die Zukunft der Zweitakt- Ottomotoren heftig diskutiert. Der Grund dafür ist, daß sie Abgase emittieren, die mehr Kohlenwasserstoffe enthalten als vergleichsweise Viertaktmotoren. Außerdem hinterlassen sie beim Kaltstart eine sichtbare Abgasfahne. Das trifft aber auch beim Dauerbetrieb auf, falls mit einem großen Ölanteil im Kraftstoff oder mit gezo- genem Choke gefahren wird. Bei diesen Diskussionen scheint von untergeordneter Bedeutung zu sein, daß die Konzentration des gültigen Kohlenmonoxids in den Abgasen der Zweitaktmotoren wesentlich geringer als in dem der Viertaktmotoren ist. Die Stickoxid-Emission für Ottomotoren war in Europa nicht begrenzt. Seit dem 01.10.1976 ist allerdings die Änderung 02 zur ECE-Regelung Nr. 15 in Kraft, die die NOx-Begrenzung zum Inhalt hat. Es ist wenig erfolgversprechend, aus dieser Sicht und im Hinblick auf die gegenwärtige lufthygienische Wartung der Schadstoff- komponenten (1) gegen die Interessen europäischer Hersteller von Viertakt- Ottomotoren die von vielen Staaten anerkannte ECE-Regelung Nr. 15 angehen zu wollen.

Auf der Seite der Verteidiger der ECE- Regelung Nr. 15 ist außerdem das Argument , daß mit dem Wachsen der Kenntnisse über die Schadstoffe die Vor- schriften für noch zulässigen Konzen- trationen öfter verschärft als gelockert werden.1) Es ist erfolgversprechender, die Bemühungen darauf zu richten, die Kohlenwasserstoff- Konzentration in den Abgasen von Zweitaktmotoren zu verringern, um die bekannten Vorteile dieser Motorenbauer weiterhin unein- geschränkt nutzen zu können. 1. Ursachen der größeren Kohlenwasser- stoff - Emission Vergleicht man Zweitakt- und Viertaktverfahren, dann kommt als Ursache für die größere Kohlenwasserstoff- Konzentration im Abgas von Zweitakt- motoren in erster Linie der Ladungs- wechsel in Betracht. In Zweitaktmotoren werden die Abgase des vorangegangenen Arbeitsspiels nicht durch den Koben wie in Viertaktmotoren, sondern durch frisches Gemisch verdrängt. Es ist nur unter besonderen Bedingungen möglich, den Auslaßschlitz genau dann abzuschließen, wenn sämtliches Abgas den Zylinder verlassen hat, aber noch kein frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Abgas- leitung ausströmt.

Im allgemeinen ist deshalb zu verzeichnen, daß entweder Abgasteile aus dem voran- gegangenen Arbeitsspiel im Zylinder verbleiben oder das Kraftstoff- Luft- Gemisch unverbrannt in den Auspuff gelangt. Letzteres führt unmittelbar zu einer entsprechenden Kohlenwasserstoff- Konzentration in den Abgasen. Mit dem Ladungswechsel steht eine weitere Ursache im Zusammenhang: bei Teillast wird dem Zylinder infolge der Drossel- regelung eine entsprechend kleinere Gemischmenge zugeführt. Diese verdrängt beim Ladungswechsel eine entsprechend geringe Abgasmenge. Der im Zylinder nach dem Ladungswechsel verbleibende Abgas- rest ist in diesem Maß größer. Dadurch entsteht bei geringer Last ein Gemisch, das nicht mehr zündfähig ist, und es findet keine Verbrennung statt. Erst wenn ein weiterer oder mehrere Ladungswechsel stattgefunden haben, ist der im Zylinder verbleibende Abgasrest mit Frischgas so verdünnt, daß wieder Zünd- und Brennbedingungen gegeben sind. In der Zwischenzeit hat jedoch während jedes Ladungswechsels ein Teil des mit dem Frischgas zugeführten Kraftstoffs den Zylinder durch den Auspuff verlassen und eine erhebliche Kohlenwasserstoff-Konzentration in den Abgasen bewirkt (2).

Die durch beide Ursachen hervorgerufene Kohlenwasserstoff-Emission führt dazu, daß an Zweitaktmotoren Im Leerlauf etwa 5000 bis 10000 ppm und bei Teillast etwa 3000 bis 5000 ppm Kohlenwasserstoff- Konzentrationen im Abgas gemessen werden. Im Gegensatz dazu beträgt die Kohlenwasserstoff-Konzentration in den Abgasen von Viertaktmotoren nur etwa 200 bis 800 ppm. Wie sich rechnerisch abschätzen läßt, kann die Schmierung des Motors durch ein Kraftstoff-Ölgemisch (50:1) an diesem Verhältnis nur unwesentlich beteiligt sein, weil überdies ein Teil des zugeführten Schmieröls verbrennt. Die Gültigkeit dieser Aussagen vorausgesetzt, wurden Untersuchungen konzipiert, die Kohlen- wasserstoff-Konzentrationen an einem Zweitakt-Ottomotor auf die Werte von Viertaktmotoren zu verringern.

2. Möglichkeiten zur Verringerung der Kohlenwasserstoff-Emission Wird bei Vergaserbetrieb der Ladungs- wechsel beendet, bevor Frischgasanteile den Auslaßschlitz passieren, dann verringert sich die erzielbare Energiedichte (Mitteldruck {3], weil der im Zylinder verbleibende Abgasrest zu- und die Frischgaszufuhr abnimmt. Die Abnahme der Energiedichte könnte durch eine entsprechende Hubraumvergrößerung kompensiert werden. Es ist dann aber zu erwarten, daß die Wahrscheinlichkeit für Verbrennungsaussetzer bei Teillast entsprechend dem nunmehr größeren Abgasanteil im Zylinder ansteigt und dadurch die Emission von Kohlenwasser- stoffen vergrößert wird.

Dieser Nachteil wird bei herkömmlichen Brennraumformen auch dann nicht vermieden, wenn dem Zylinder statt des Gemisches eine entsprechende Luftmenge zugeführt und der Kraftstoff eingespritzt wird. Verbrennungsaussetzer wie im Vergaserbetrieb wären die Folge. Zünd- und Brennbedingungen sind nur gegeben, wenn mindestens in der Umgebung der Zündkerze ein brennfähiges Gemisch vorliegt. Die Aufgabe steht folglich darin, eine Ladungseinrichtung zu verwirklichen. Dabei darf prinzipiell ohne störende Auswirkungen bei Teillast der übrige Zylinderraum mit Abgas gefüllt sein. Es bereitet erhebliche Schwierigkeiten, bei einem Motor mit Kurbelkammspülung eine solche Ladungseinrichtung zu erzielen, die zunächst aus Luft und Abgas besteht.

Viertaktmotoren mit Vergaser verfügen für die Ladungsschichtung über ein besonderes ausgebildetes oder ein separates Einlaßventil. Für Zweitaktmotoren ist ein Einlaßventil unter der Bedingung eines "einfachen Motors" keine diskutable Lösung. Andere konstruktive Ausführungen haben sich bisher noch nicht hinreichend bewährt. Es ist deshalb sinnvoll, von der Drosselregelung zur Qualitätsregelung überzugehen, d.h. den Zylinder während jedes Arbeitsspiels mit Luft vollständig so zu spülen, daß von dieser Seite her die Zünd- und Brennbedingungen gegeben sind und anschließend eine Ladungsschichtung mit Benzineinspritzung herbeigeführt wird .3. Untersuchte Varianten und erzielte Ergebnisse Die genannten Vorstellungen wurden an einem Zweitakt-Ottomotor realisiert und eine herkömmliche Benzineinspritzanlage am Motor angebaut. Die Anordnung der Einspritzdüse am Brennraum zeigt Bild 1. Vom Vergaser wurde zunächst aus versuchstechnischen Gründen das Drosselorgan übernommen, um einen stabilen Motorbetrieb bei Teillast zu ermöglichen. Die Schmierung des Motors erfolgte mit einer Öldosierungspumpe, die in das Kurbelgehäuse förderte.

3.1 Einspritzung vom Boden des Serienbrennraumes Die Direkteinspritzung vom Brennraumboden aus gegen den aufsteigenden Spülstrom erzeugt eine geringfügig geschichtete Ladung, die eine drehzahlabhängige Verstellung des Einspritzendes mit relativ großer Genauigkeit erfordert [4]. Wird das Einspritzende (EE nämlich konstant, z. B. bei UT, festgelegt, so ist der Ladungsteil mit den günstigen Zündbedingungen (( um 0,9) nur in einem kleinen Drehzahlbereich der Zündkerze vorgelagert. Bei Verände- rung der Drehzahl verschlechtern sich dann sowohl spezifischer Kraftstoff- verbrauch be als auch Kohlenwasserstoff- Konzentration KCH. Im unteren Teillast- bereich kommt es sogar zu vereinzelten Verbrennungsaussetzern, und der Leerlauf- betrieb unterscheidet sich kaum von dem des vergaserbetriebenen Motors, d. h. die Kohlenwasserstoff- Konzentration im Abgas ist KCH>5000 ppm. KCH ist im übrigen Kennfeld bei dieser Art der Gemischbildung zwar bis zu 30 % geringer als bei Vergaserbetrieb, aber noch bei weitem größer , als es die Grenzwerte nach der ECE-Regelung Nr. 15 zulassen. Ein Ausspülen von eingespritztem Kraftstoff ist dafür nicht allein verantwortlich. Das zeigt Bild 1, wo sich bei Einspritzung in Nähe von "Auslaß schließt" KCH nur geringfügig ändert, der Verbrauch sich aber erheblich verschlechtert.

Zum Vergleich soll hier nun ein Kennfeldpunkt herangezogen werden, der für den zum Europäischen Fahrzyklus-Abgastest (EFA) [5] gehörenden Kennfeldbereich im Zusammenhang mit dem untersuchten Motor als repräsentativ angesehen werden kann, nämlich die Energiedichte: Als eine der Ursachen für die noch relativ große Kohlenwasserstoff- Konzentration ist das Durchschlagen des Kraftstoffstrahls auf den Kolben- boden festgestellt worden. Durch Verringern des Düsenöffnungsdruckes und des Öffnungsquerschnittes wurde die Strahlreichweite verkleinert. Um die Spülung zu intensivieren und die Füllung in einem weiten Teillastbereich zu verbessern, kann bei Einspritzung der Luftdurchsatz durch Offenhalten der Drosselklappe vergrößert werden, ohne daß Kraftstoff-Spülverluste bedeutsam werden. Mit Hilfe dieser Maßnahmen wurden erreicht:

be = 378 g/kWh, KCO = 0 Vol.-% KCH = 1050 ppm Eine Einspritzung vom Überströmkabel aus in. . . . . . . . .. . . . . . keinen wirkungsvollen Unterschied zum vergaserbetriebenen Motor, weil auch in diesem Fall raum- verteilte Ladung mit Spülverlusten auftritt. Zur besseren Steuerung der Gemisch- bildung und damit Schichtung der Ladung läßt sich der Einspritzstrahl räumlich aufteilen. Zu diesem Zweck wruden Strahlaufteiler gebaut und erprobt, die einen Teilstrahl zur Zündkerze hin ablenken. Bild 2 zeigt, daß bei genügend später Einspritzung ((EE < 160°KW vor OT) der Schichtungseffekt wirksam wird und sich dabei durch günstigere Verbrenn- ungseinleitung und Ausschaltung von Spülverlusten KCH weiter verringert läßt. Die geringste Kohlenwasserstoff- Konzentration ergab sich bei : be = 560 g/kWh, KCO = 1,5 Vol.-% mit KCH= 650 ppm. Dabei noch emittierte Kohlenwasserstoffe entstammen vor allem der unvollkommenen Verbrennung, die durch die Störung des Kraftstoffstrahls am Strahlaufteiler ver- ursacht wird. Die sich bildenden relativ großen Tropfen bewirken aufgrund ihrer längeren Aufbereitungszeit die hohen Verbrauchswerte. Bei Ladungsschichtung ist trotz eines Gesamtluftverhältnisses ( 1,1 Kohlenmonoxid im Abgas vorhanden, da einzelne Schichten unter Luftmangel verbrennen.

Um alle genannten Probleme zu umgehen, bietet sich eine Direkteinspritzung an, bei der die Ladung im wesentlichen im Brenn- raum verbleibt. Die Luftzuführung in den Brennraum und die Gemischbildung werden durch den Quetschwirbel begünstigt. Von geteilten Brennräumen wurde abgesehen, weil dabei Wirkungs- gradeinbußen - zum einen durch größere Wärmeübertragungsverluste wegen des größeren Oberflächen- Volumen- Verhältnisses und zum anderen durch Überströmverluste zwischen den Brennraumteilen - auftreten würden. Außerdem wird das Gemischbildungs- system durch eine zweite Einspritzdüse oder einen zusätzlichen Vergaser kompliziert, weil zur vollkommenen Verbrennung des Kraftstoffs auch der übrige Brennraum ein armes Gemisch enthalten muß. Bei der untersuchten Variante findet eine gute Verbrennung statt, wenn bis zum Zündzeitpunkt noch genügend Zeit vorhanden ist, um den Kraftstoff im Luftwirbel zu verteilen. Bei einem Zündzeitpunkt von (z = 22° KW vor OT entspricht diese Aufbereitungszeit bei der untersuchten Drehzahl von n = 35 U/s einem Einspritzende von (EE ( 40° KW vor OT. Dabei wurden folgende Kenngrößen erreicht: be = . . . . . g/kWh, KCO = 0,8 Vol.-% KCH = 75 ppm (Bild 3).

Die enorme Verminderung von KCH bedeutet, daß die Verbrennung nahezu vollkommen ist bzw. daß die auf eine kleine Brennraumfläche aufgespritzte, nicht vollständig verbrennende Teilmenge des Kraftstoffs den einzig verbleibenden Spülverlust darstellt. Bei Vergrößerung des Strahlkegelwinkels ( wird auf eine größere Fläche der Brennraumwand gespritzt und der Kraftstoff insgesamt besser aufgeteilt. Dadurch ergibt sich vor allem eine Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs mit folgenden Werten: be = 360 g/kWh, KCO = 0,2 Vol.-%, KCH = 160 ppm. Der bei diesem Verfahren mehr wandverteilte Kraftstoff benötigt eine etwas längere Aufbereitungszeit. Deshalb erweist sich ein Einspritzende (aEE ( 80° KW vor OT bei der untersuchten Drehzahl n = 35 U/s als günstig. Die Verringerungen gegenüber dem Serienstand betragen beim spezifischen Kraftstoffverbrauch 16 % und bei der Kohlenwasserstoff-Konzentration 95 %. Ähnliche Verhältnisse treten bei anderen Belastungen und Drehzahlen auf. Im Leer- lauf ist durch die relativ große Luftdurch- satzmenge auch bei sehr kleinen Einspritz- mengen eine Verbrennung je Arbeitsspiel gewährleistet. Bei drehzahlabhängiger Verstellung des Zündpunktes (bei Leerlauf etwa (z = 5 ... 10° KW vor OT) lassen sich geringe Konzentrationen KCH im gesamten Kennfeld erreichen. Die Regelung des Motors ergibt sich allein aus der Verstellung der Einspritzmenge.

Das praktizierte Gemischbildungsverfahren reiht sich ein in die in den letzten Jahren erprobten Verfahren der Schichtladung ([6] [7] [8], hat aber diesen gegenüber zwei Vorteile: - Aufbau und Funktionsweise des Motors mit Schichtladung sind relativ einfach, und es ergibt sich - Kraftstoffverbrauchsminderung im Vergleich zu dem Serienmotor. Im Bild 4 wird der zweite Vorteil deutlich. Verglichen werden Kraftstoffverbrauch und Kohlenwasserstoff-Konzentration eines Viertakt-Ottomotors [9] mit den Werten eines Zweitakt-Ottomotors, wobei jeweils ein mit Einspritzung ausgerüsteter Serienmotor und die Ladungsschichtungs- variante in Betracht gezogen sind.

4. Schlußfolgerung Eine wirksame Verringerung der Kohlenwasser.................. Ottomotoren ist möglich, wenn auf die Gemischspülung verzichtet wird. Die Direkteinspritzung in den Zylinderraum verbessert zwar die motorischen Kennwerte, garantiert aber nicht, daß immer ein zündfähiges Gemisch zum Zündzeitpunkt an der Zündkerze vorhanden ist. Durch die damit verbundenen Verbrennungsaussetzer wird Kohlenwasserstoff emittiert. Mit einer gerichteten Einspritzung in den Brennraum - in Verbindung mit gerichteter Luftströmung - sind die Verbrennungsaussetzer vermeidbar.

Die Prinzipuntersuchungen beschränken sich zunächst auf ausgewählte Kennfeldpunkte. Dennoch läßt sich folgern, daß mit der beschriebenen Ladungsschichtungsvariante am Zweitakt-Ottomotor mit Einspritzung die international geforderten Schadstoffgrenzwerte eingehalten werden können. (13483)

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