Bild F.33 Vorgänge in der Brennzone (Quelle F. Pischinger)


Bild F.34 Druckverlauf p und Brennfunktion x im Ottomotor (Quelle Pischinger)


Bild F.35 Zyklische Schwankungen bei einem Ottomotor (Quelle Pischinger)


Bild F.36 Mittlere Flammengeschwindigkeit

Flammenausbreitung

Die diesel- und ottomotorische Verbrennung unterscheidet sich grundlegend in ihrem Ablauf. Das hat Einfluss auf die Umsetzung des Kraftstoffes und die Flammenausbreitung. Während beim konventionellen Ottomotor in erster Näherung ein homogenes Gemisch vorliegt, ist die Verteilung von Luft und Kraftstoff beim Dieselmotor extrem inhomogen. Gleiches gilt für den Ottomotor mit Direkteinspritzung. Im Bereich des eingespritzten Kraftstoffstrahls beim Dieselmotor bzw. beim Ottomotor mit Direkteinspritzung variiert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ = 0 bis λ = ∞. Anzustreben ist bei der dieselmotorischen Verbrennung ein Gemisch, welches optimale Bedingungen bezüglich Leistungsausbeute einerseits und minimale Abgasemissionen andererseits ermöglicht. Der Vorgang der Flammenausbreitung bzw. Verbrennung kann beim Dieselmotor in drei Phasen aufgeteilt werden. In der ersten Phase erfolgt die Einspritzung und Zündung. Bereits zum Zeitpunkt der Zündung ist ein großer Teil des Kraftstoffes in die gasförmige Phase übergegangen und hat sich mit der Luft vermischt. Die Zündung erfolgt dabei im Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses deutlich unter λ = 1. Für die Verbrennung unmittelbar nach der Zündung ist der tatsächliche Zustand des Gemisches maßgeblich. Dabei " verbrennt" der Einspritzstrahl wie eine geschichtete Gemischwolke. In der zweiten Phase wird der eingespritzte Kraftstoff weiter mit Luft und Verbrennungsgas vermischt. Nach Ende der Einspritzung erfolgt die dritte Verbrennungsphase, die durch eine weitere Abmagerung infolge der Vermischung gekennzeichnet ist.

Die Flammenausbreitung beim Dieselmotor wird vor allem durch die Verdichtungsendtemperatur, den Einspritzdruck, das Strahlbild, die Anzahl der Einspritzstrahlen, die Verteilung der Kraftstoffmenge über der Einspritzzeit, die Brennraumgeometrie und den Drall beeinflusst.

Beim Ottomotor mit konventionellem Brennverfahren und Direkteinspritzung entsteht die Flammenfront durch die elektrische Zündung an der Zündkerze und dadurch ausgelöste Wärme- und Stoffaustauschvorgänge. Das Gemischvolumen zwischen den Elektroden der Zündkerze, welches innerhalb der Zündgrenzen liegen muss, führt dabei zur Ausbildung einer stabilen Flamme. Die so freigesetzte Wärme und die erzeugten reaktiven Teilchen müssen ausreichen, um benachbarte Gemischteilchen zu entflammen.

Bei Verfahren mit Ladungsschichtung muss der Transport von zündfähigem Gemisch kontrolliert und reproduzierbar erfolgen. Zonen mit nicht brennfähigem mageren Gemisch sind ebenso zu vermeiden wie Zonen mit zu fettem Gemisch.

Die Flamme sollte beim Ottomotor möglichst schnell das Luft-Kraftstoff-Gemisch durchlaufen, damit sich keine Klopfnester bilden können. Darüber hinaus führt eine zu geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme zu einer verschleppten Verbrennung mit unter Umständen hohen Anteilen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas sowie einer Abweichung von der wirkungsoptimalen Gleichraumverbrennung.

Die Flammengeschwindigkeit ist stark abhängig vom Luft-Kraftstoff-Gemisch und der Gemischbewegung. Der maximale Wert mit ca. 20-25 m/s wird in einem homogenen Gemisch bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ = 0,85 erreicht.

Die besten Voraussetzungen für ein schnelles Durchbrennen bieten Brennräume mit einem kleinen Oberflächen/Volumen-Verhältnis. Zusätzlich muss die Zündkerze zentral angeordnet sein, um die Brennwege zu minimieren. Das gelingt bei Mehrventilmotoren (z. B. vier oder fünf Ventile pro Zylinder), bei denen die Zündkerze in der Mitte des Brennraums angeordnet werden kann. Bei Zwei- und Drei-Ventil-Motoren empfehlen sich zur Verringerung der Brennwege zwei Zündkerzen pro Zylinder.

Der Flammenweg zu den Auslassventilen muss kurz gehalten werden, da es sonst zur Selbstzündung des Gemisches im Bereich der heißen Auslassventile kommt, was zum Klopfen führen kann.

Die prinzipiellen Vorgänge in der Brennzone zeigt Bild F.33.

Die Voraussetzungen für eine normale Flammenausbreitung sind, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb der Zündgrenzen des Gemisches liegen muss und das keine Selbst- oder Glühzündung vorliegt. Die Folge in Verbindung mit der Verkleinerung des Brennraumvolumens durch die Bewegung des Kolbens ergibt eine Druckverlaufsänderung, wie sie Bild F.34. zeigt.

Die Bezeichnungen in Bild F.34 bedeuten:

• Zündwinkel _z: Zeitpunkt des elektrischen Funkenüberschlages in ^oKurbelwinkel (^oKW ) vor oder nach dem oberen Totpunkt
• Brenndauer: Zeit zwischen Zündung und Ende der Verbrennung in ^oKW
• effektive Brenndauer: Zeit zwischen dem ersten, gerade messbaren Druckanstieg gegenüber der Kompression und dem Ende der Verbrennung in ^oKW
• Brennverzug: Zeit zwischen Zündung und gerade messbarem Druckanstieg in ^oKW.

In der unteren Hälfte des Bildes ist die daraus abgeleitete Brennfunktion abgebildet. 5 bis 10 ^oKW nach dem Zündzeitpunkt wird erstmals sichtbar Kraftstoff umgesetzt und die Verbrennung ist in diesem Fall nach ca. 38 ^oKW nach dem oberen Totpunkt (O.T.) beendet.

Die Ausbreitung der Flammenfront unterliegt zyklischen Schwankungen bei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen. Sie sind auf zeitliche und örtliche Unterschiede in der Turbulenz und der Gemischzusammensetzung z. B. an der Zündkerze und im Brennraum zurückzuführen. Bei kleinen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen von ca. 0,85 sind die zyklischen Schwankungen am geringsten. Ursache ist die dort hohe Flammengeschwindigkeit. Je mehr man sich den Zündgrenzen nähert, umso langsamer durchbrennt das Gemisch und die zyklischen Schwankungen nehmen zu. Bild F.35 zeigt den Einfluss der zyklischen Schwankungen auf den Druckverlauf .

Die Flammengeschwindigkeit ist die Summe aus der Brenngeschwindigkeit einerseits und der Gasgeschwindigkeit, die beispielsweise durch Turbulenzen oder andere Gemischbewegungen entstehen, wobei die Gemischbewegung, bezogen auf einen Ort, vektoriell berücksichtigt werden muss. Die Transportgeschwindigkeit wird durch die Kolbenbewegung, die daraus entstehende Quetschströmung und durch den Einlassvorgang des Gemisches beeinflusst. Hier spielen Drall und Turbulenz eine bedeutsame Rolle. Da diese innerhalb des Brennraums sehr schwanken und zwar örtlich und zeitlich, verwendet man die mittlere Flammengeschwindigkeit w_F. Sie errechnet sich aus der Entfernung und der Laufzeit zwischen zwei Punkten im Brennraum. Die mittlere Flammengeschwindigkeit ist abhängig von:

• dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
• der Brennraumform
• der Zündkerzenlage
• der mittleren Kolbengeschwindigkeit
• der Kolbenstellung bzw. dem Kurbelwinkel.

Der Einfluss des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf die Flammengeschwindigkeit zeigt Bild F.36. Wie man erkennt, ist bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von ca. λ = 0,85 die Brenn- und somit auch die Flammengeschwindigkeit am größten.

Die Brennraumform und die Kerzenlage bestimmen die Wege, die die Flamme zurücklegen muss. Um eine geringe Brenndauer zu erhalten, sind kompakte Brennräume mit zentral angeordneter Zündkerze wünschenswert. Je höher die Flammengeschwindigkeit und um so kürzer die Brenndauer ist, umso schneller ist die Verbrennung abgeschlossen. So kann die aus Gründen niedrigen Kraftstoffverbrauchs angestrebte Gleichraumverbrennung angenähert werden.

Der Einfluss der mittleren Kolbengeschwindigkeit ist ebenfalls von Bedeutung. Je höher die Motordrehzahl, umso höher ist die mittlere Kolbengeschwindigkeit. Da jedoch die Flammengeschwindigkeit nur degressiv mit der Kolbengeschwindigkeit zunimmt, verlängert sich der der Brenndauer entsprechende Kurbelwinkelbereich mit steigender Motordrehzahl. Da der Spitzendruck aus thermodynamischen Gründen kurz nach O.T. erreicht werden sollte, muss der Zündzeitpunkt bei steigender Motordrehzahl zum erreichen optimaler Wirkungsgrade vorverlegt werden.

Literatur:
[1] Basshuysen van, R., Schäfer, F. (Hrsg): Handbuch Verbrennungsmotor, 2. Aufl., Vieweg Verlag. 2002