Universiẗat, Diss.--Aachen, 2006.

Univ., Diss., 2009--Kassel.

Aufgrund der CO2-Neutralität regenerativ erzeugter Kraftstoffe rücken diese vermehrt in den Fokus der Forschung. Einen Kraftstoff mit signifikanten Vorteilen stellt hierbei das Biogas dar. Ein bis zu 30 % geringerer CO2-Ausstoß im Vergleich zu langkettigen Kraftstoffen und ein höherer Wirkungsgrad sind hier zu nennen. Daneben besteht Biogas aus 50 % - 75 % Methan und hat dadurch einen um 45 % geringeren Heizwert als Ottokraftstoffe. Zusätzlich liegt es bereits gasförmig vor und kann somit nicht zur Innenkühlung des Motors beitragen. Dies zusammen führt zu einem signifikanten Leistungsverlust bei der Verwendung als Kraftstoff. Um diesem Leistungsverlust entgegenzuwirken, müssen großvolumige Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Dies steht aber nicht nur im Widerspruch zur ressourcenschonenden und energiesparenden Herstellung, sondern hat auch bezogen auf den mobilen Einsatz negative Auswirkungen auf die zu bewegende Masse und folglich auf das Emittierte CO2. Eine Vielzahl an Maßnahmen wurde bereits zur Steigerung der Leistung bei gleichbleibendem oder auch sinkendem Hubraum betrieben. Hier sind vor allem neue Einspritz- und Aufladesysteme zu nennen. Eine weitere Möglichkeit stellt die Reduzierung der Arbeitstakte dar. Ein Viertaktmotor benötigt für ein Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen, ein Zweitaktmotor hingegen eine. So können innerhalb der gleichen Zeit doppelt so viele Arbeitsspiele stattfinden und somit die Leistung deutlich gesteigert werden. Schnelllaufende Zweitaktmotoren haben aber bedingt durch das verbreitete Konzept der Umkehrspülung einen erhöhten Ausstoß an unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Diese werden zum einen während des offenen Ladungswechsels, wenn Ein- und Auslassschlitze im unteren Totpunkt geöffnet sind, und zum anderen, wenn der Einlass bereits verschlossen und der Auslass noch geöffnet, ist emittiert. Der Vergleich verschiedener Motorkonzepte zeigt, dass der Doppelkolbenmotor arbeitend nach dem Zweitaktprinzip den Ausstoß an unverbrannten Kohlenwasserstoffen signifikant reduzieren könnte. Beim Doppelkolbenmotor teilen sich zwei vertikal angeordnete Zylinder einen Brennraum. Der eine Zylinder beinhaltet im unteren Totpunkt die Einlass- der andere die Auslassschlitze. Die jeweiligen Kolben werden über ein Zollerpleuel bestehend aus Haupt- und Nebenpleuel mit der Kurbelwelle verbunden. Dieser spezielle Pleuel ermöglicht das Vorrauseilen des Auslasskolbens und verhindert somit den für andere Konzepte typischen Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei bereits geschlossenen Einlass- und noch geöffneten Auslassschlitzen. Die Verluste während des offenen Ladungswechsels sollen durch die Trennwand der beiden Zylinder reduziert werden. Dieses Konzept wurde von Prof. Dr.-Ing Frank Rieg übernommen und in Form eines Prototyps umgesetzt. Mit modernster Motorregelung am Prüfstand auf der einen und Simulationssoftware auf der anderen Seite soll das Potential des Motorkonzeptes untersucht werden. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Abbildung und Optimierung des Ladungswechsels unter Zuhilfenahme eines numerischen Strömungssimulationsmodells. Ziel ist es, die Querschnittsflächen wie auch Anstellwinkel der Ein- und Auslassschlitze zu optimieren. Dabei sollen der Spüldruck sowie die Spülverluste möglichst klein und gleichzeitig die Zylinderfüllung mit Frischgas möglichst groß sein. Danach erfolgt der Vergleich der Simulationsergebnisse am Prototypen und die Gegenüberstellung mit einem Viertaktmotor der gleichen Hubraumklasse.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potenziale zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von stöchiometrisch homogen betriebenen Ottomotoren in der Teillast untersucht. Im Gegensatz zur konventionellen Laststeuerung über die Drosselklappe bezeichnet die betrachtete, drosselfreie Laststeuerung die Quantitätsregelung einzig über den Hubverlauf der Gaswechselventile. Nach einer Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen zur drosselfreien Laststeuerung werden konkurrierende Bilanzierungsverfahren von Ladungswechsel- und Hochdruckteil von 4-Takt Verbrennungsverfahren vorgestellt. Anhand theoretischer Betrachtungen folgt für eine belastbare Bewertung der Prozessgüte allein die Bilanzierung in den Grenzen der Unteren Totpunkte (UT-UT). Im ersten Teil der motorischen Untersuchungen am Vollmotor wird das effektive Potenzial mechanisch variabler Ventiltriebe ermittelt. Dabei bleibt die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem gedrosselten Referenzmotor aufgrund sinkender Restgasverträglichkeit als Folge einer nachteiligen Abnahme der Ladungsbewegung hinter den Erwartungen zurück. Im Widerspruch zu mechanisch gekoppelten Systemen wird zur bedarfsgerechten Anpassung der Ladungsbewegung die Forderung nach maximaler Flexibilität der Ventilhubgestaltung abgeleitet. Im zweiten Teil der motorischen Untersuchungen am Einzylinder-Forschungsmotor werden die maximalen Freiheitsgrade eines nockenwellenlosen Ventiltriebs basierend auf dem Prinzip eines elektromotorischen Linearantriebs systematisch eingesetzt. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Beeinflussung des Einströmvorgangs in den Brennraum wird die Reduzierung der Drosselverluste durch Hubverlaufsformung sowie gezielte Restgasverdünnung im Vergleich von interner zu externer Rückführung betrachtet. Der Einfluss der Gemischbildung wird über die konkurrierende Darstellung von innerer und äußerer Kraftsteinspritzung aufgezeigt. Neben den maximalen Potenzialen werden ebenso die Grenzen der Entdrosselung dargestellt. Im Gegensatz zu mechanischen Systemen gelingt zwar die Realisierung einer bedarfsgerechten Ladungsbewegung mit Hilfe vollvariabler Ventilhübe, jedoch wird eine fortgesetzte Verbrauchsverbesserung durch die Gewährleistung einer sicheren Entflammung limitiert.