Korona-Zündung drosselt Kraftstoffverbrauch
Bei ottomotorischen Brennverfahren deutet sich eine Revolution an. Statt per Drosselklappe könnten Benziner künftig über die eingespritzte Kraftstoffmasse geregelt werden. Ein neues Zündverfahren soll dem „qualitätsgeregelten“ Ottomotor den Weg ebnen. Entwickler stellen bis zu 28 % Kraftstoffersparnis in Aussicht.
Korona-Zündung: Bis zu 28% Ersparnis sind möglich.
Foto: GM
Mit der Korona-Zündung haben die Entwickler von BorgWarner-Beru, Ludwigsburg, und der IAV, Berlin, Großes vor. Denn diese Krone hat es in sich – sie krönt eine Zündkerze und sendet von ihren Zacken ein halbes Dutzend Plasmablitze in den Brennraum eines Ottomotors. Ihr volles Kraftstoffsenkungspotenzial könnte die Zündung in Verbindung mit einer von der IAV entwickelten Qualitätsregelung entfalten. Statt per Drosselklappe die Luftmasse zu regeln, sollen Benziner damit künftig wie Diesel über die eingespritzte Kraftstoffmasse geregelt werden.
An einem so geregelten 2,0-l-Vierzylindermotor mit gepulster Direkteinspritzung, doppelter Aufladung und Korona-Zündung haben die Entwickler das Potenzial der Technik gezeigt: Auf dem Prüfstand sank der Verbrauch im mittleren stationären Motorkennfeld um bis zu 22 %, im hohen Lastbereich gar um bis zu 28 %. Im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) liefe das bei Pkw der Kompaktklasse auf 2 l/100 km weniger Kraftstoffbedarf und 47 g CO2/km hinaus.
Korona-Zündung zündet auch bei extremer Ladungsverdünnung zuverlässig
Die Entwickler arbeiten nun daran, die Technik zur Serienreife zu bringen. Schlüssel dazu ist die Korona-Zündung, die auch bei extremer Ladungsverdünnung zuverlässig zündet. Wie in Schichtladekonzepten, bei denen ein Kraftstoffnebel gezielt um die Zündkerze gelegt wird, soll die Zündung mit der Krone bei Teillast Magergemische mit l= 3 zünden. Zudem hoffen die Entwickler, durch Abmagern auf l = 1,6 bei Volllast das Problem zu heißer Abgase für Turbolader und Katalysatoren zu lösen. Im Betrieb wird die Spannung in der Krone anhand der Motorparameter jeweils bis an die Grenze geregelt, an der es zum Funkendurchschlag kommt. Denn um auch inhomogene Gemische zuverlässig zu zünden und schnell durchzubrennen, sollen die Plasmablitze so tief wie möglich in den Brennraum dringen.
Das klingt simpel, doch der Teufel steckt im Detail. Um das Korona-System zu begreifen, untersuchten die Ingenieure zunächst in einer Druckkammer die Ausbreitung der Plasmablitze. Highspeed-Kameras hielten dabei fest, wie schnell sie bei welcher Spannung in die Kammer mit ihren bis zu 50 bar Druck und 400 °C Temperatur vordringen.
Korona-Zündung: Erkenntnisse über die Ausbreitung der Plasmablitze wichtig
Das ist wichtig, um später in realen Motoren die Spannung zu regulieren oder um zu bestimmen, wie tief die Krone in den Brennraum ragen darf, ohne Überschläge auf Kolben und Brennraumdach zu provozieren. Zudem sammeln die Entwickler dabei Hinweise auf sinnvolle Brennraum- und Kolbendesigns für eine Korona-Zündung.
Weil es in der Druckkammer keine Strömung und Ladungsbewegung gibt, hat die IAV eigens einen Strömungsprüfstand entwickelt. Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Druck lassen sich einzeln regulieren. „So können wir die Verhältnisse im Brennraum simulieren und uns zusätzlich die Einzeleinflüsse vergegenwärtigen“, erläutert IAV-Ingenieur Ralf Tröger.
Versuche unter realistischen Brennraumbedingungen bei 40 bar Druck und 25 m/s Strömung am Zündort ergaben, dass sich die Plasmablitze extrem ungleichmäßig im Brennraum ausbreiten.
Die Korona-Zündung ist keine Plug-and-play-Lösung
„Bei der Auslegung der Systeme ist dieser Effekt unbedingt zu beachten“, so Tröger. Auch dürfe kein Kraftstoff auf die Krone gelangen, weil diese sonst verruße und sich die Betriebsparameter verschieben. Die Korona-Zündung sei keine Plug-and-play-Lösung, sondern müsse individuell an die Brennräume adaptiert werden. Bestätigen sich die angekündigten Verbrauchsvorteile, wird dieser Mehraufwand die Revolution im Brennraum nicht aufhalten.
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