Modell zur Vorhersage der Brennrate in der Betriebsart kontrollierte Benzinselbstzündung

Das Automobil, speziell in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor als Antrieb, stellt zweifelsohne im Bewusstsein der meisten Menschen eines der stärksten Symbole für den technischen Fortschritt im 20. Jahrhundert dar. Neben vielen positiven Assoziationen, die damit einhergehen, repräsentiert es damit aber auch die vielmals zitierte Kehrseite technischen Fortschritts und steht damit im Fokus der Öffentlichkeit. Lange Zeit standen dabei vor allem Umweltschäden durch die Schadstoffemissionen im Abgas sowie die fehlende Nachhaltigkeit durch den Verbrauch fossiler Energieträger im Vordergrund, hinzu kam vor allem in den letzten Jahrzehnten ein verstärktes Bewusstsein für die Emissionen von Kohlenstoffdioxid, das bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zwar unweigerlich entsteht und gesundheitlich als unbedenklich einzustufen ist, allerdings klimawirksam ist und damit für einen anthropogenen Anteil an der globalen Erderwärmung mit verantwortlich gemacht werden kann.

Ausgangspunkt jeder phänomenologischer Modellierung von Verbrennungsprozessen ist das grundsätzliche Verständnis der dabei ablaufenden physikalischen und chemischen Vorgänge im Brennraum. Daher sollen zunächst die wichtigsten Grundlagen der Verbrennung im Ottomotor zusammenfassend dargestellt werden, sowohl für den konventionellen fremdgezündeten Betrieb als auch für die kontrollierte Benzinselbstzündung.

Wie die Messdatenanalyse (siehe Kapitel 3.3) und optische Untersuchungen (siehe Kapitel 2.1.2.1) zeigen, kann auch während der kontrollierten Selbstzündung – zumindest unter bestimmten Randbedingungen - ein Verbrennungsfortschritt ähnlich jenem in einem konventionellen Ottomotor mit Fremdzündung auftreten, der durch das Fortschreiten einer Flammenfront ausgehend von einem Zündzentrum gekennzeichnet ist. Bisherige Modellierungsarbeiten (siehe Kapitel 2.2.4) berücksichtigen jedoch keinen Flammenausbreitungsmechanismus, sondern beschränken sich im Wesentlichen auf eine Modellierung der Reaktionskinetik in Verbindung mit lokalen Inhomogenitäten. Damit alleine können jedoch wesentliche Beobachtungen aus der Messdatenanalyse nur unzureichend erklärt und verstanden werden, zudem kann auch der Übergang zur konventionellen ottomotorischen Verbrennung – etwa im Rahmen eines Betriebsartenwechsels – damit nicht nachvollzogen werden.

Auf Grundlage der in Kapitel 4.5 beschriebenen Parametervariationen kann das grundsätzliche Modellverhalten gut nachvollzogen werden und eine zielgerichtete Abstimmung vorgenommen werden. Im Folgenden sollen noch einige Hinweise für eine sinnvolle Strategie bei der Modellabstimmung gegeben werden.

Mit dem neuen Brennverlaufsmodell wurde nach Kenntnis des Autors erstmals in der vorliegenden Modellklasse der Verbrennungsfortschritt in der Betriebsart Benzinselbstzündung durch eine Kombination der beiden Mechanismen „Flammenausbreitung“ und „Volumenreaktion“ beschrieben. Dies ermöglicht nicht nur ein besseres Verständnis der in bestimmten Betriebszuständen maßgeblichen Vorgänge, sondern auch einen kontinuierlichen Übergang zum konventionellen fremdgezündeten Betrieb, womit das Modell auch den für die Praxis bedeutsamen Betriebsartenwechsel erfassen kann.