CNG-DI-Brennverfahren in Kombination mit Hochlast-AGR und Miller-Verfahren
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FORSCHUNG G asmotoren
AUTOREN
CNG-DI-Brennverfahren in Kombination
mit Hochlast-AGR und Miller-Verfahren
Compressed Natural Gas (CNG) stellt eine kurz- und mittelfristige Ergänzung des
Johannes Oder, M. Sc.
ist Wissenschaftlicher Kraftstoffportfolios für Turbo-DI-Ottomotoren dar, denn es ist weltweit hochverfügbar
Mitarbeiter des Lehrstuhls
für Mobile Systeme (IMS) und kann durch sein niedriges C/H-Verhältnis wesentlich zur Reduzierung von Treib
der OVGU Magdeburg.
hausgas beitragen. Im Rahmen des FVV-Forschungsvorhabens Nr. M2414 wurde an
der RWTH Aachen University und an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
ein homogenes stöchiometrisches Brennverfahren mit direkter Erdgas-Einblasung in
Kombination mit Hochlast-Abgasrückführung untersucht.
Christian Wouters, M. Sc.
ist Wissenschaftlicher
Mitarbeiter des Lehrstuhls
für Verbrennungskraft
maschinen (VKA) der
RWTH Aachen Universität.
Prof. Dr.-Ing.
Hermann Rottengruber
ist Leiter des Lehrstuhls
für Mobile Systeme (IMS)
der OVGU Magdeburg.
Prof. Dr.-Ing.
Stefan Pischinger
ist Leiter des Lehrstuhls
für Verbrennungskraft
maschinen (VKA) an der
RWTH Aachen Universität.
© VKA
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1 EINLEITUNG tilen und einer variablen Ventilsteuerung eingesetzt. Im Fokus der
2 ME THODIK Untersuchungen stand eine Bewertung der Vor- und Nachteile der
3 INJEK TORP OSITION Einspritzkonfigurationen: die zentrale oder seitliche Einbauposition
4 UNTERSUCHUNGEN AM EINZ YLINDERMOTOR des CNG-DI-Injektors im Zylinderkopf. Darauf aufbauend wurde
5 UNTERSUCHUNGEN AM MEHRZ YLINDERMOTOR eine optimale Betriebsstrategie für einen Erdgasmotor mit Direkt-
6 THERMODYNAMISCHE UNTERSUCHUNGEN einblasung ermittelt. Für die Prüfstanduntersuchungen am
7 ÜBERTR AGBARKEIT DER DATEN Vollmotor wurde ein Motor von Ford (EcoBoost, 1,0 l, 103 kW
8 L ÄNGSSIMUL ATION Leistung) von Benzin- auf CNG-Betrieb umgerüstet. Bei den ver-
9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK wendeten CNG-DI-Injektoren handelt es sich um Magnetspulen-
Injektoren mit sich nach außen öffnender Düse, die für Einblas-
drücke zwischen 6 und 16 bar geeignet sind. Unter Berücksichti-
gung gasdynamischer Grundlagen muss für ein lineares Verhältnis
zwischen der Ansteuerdauer des Injektors und der eingeblasenen
Kraftstoffmasse ein überkritisches Druckverhältnis vorliegen [1].
3 INJEKTORPOSITION
Um den Einfluss von Einblaszeitpunkt und Injektorposition zu
untersuchen, wurden 3-D-CFD-Simulationen durchgeführt. Sowohl
die zentrale als auch die laterale Position wurde im Eckdrehmo-
ment bei einem frühen Einspritzzeitpunkt von 320 °KW vor ZOT
und einem späten von 160 °KW vor ZOT simuliert, BILD 1. Bei
einem frühen Einblaszeitpunkt wird der durch die einströmende
Luft erzeugte Primär-Tumble mit seitlicher Einblasung deutlich
verstärkt, wohingegen eine Einblasung mit zentraler Injektorposi-
tion die Ausbildung des Primär-Tumbles behindert, da der Gas-
strahl auf das Tumble-Zentrum gerichtet ist. Nicht einmal während
der Kompression erreicht die zentrale im Vergleich zur seitlichen
Einblasung das Tumble-Niveau der Ladungsbewegung ohne Ein-
1 EINLEITUNG blasung. In BILD 1 ist deutlich zu erkennen, dass auch bei einem
späten Einblaszeitpunkt die seitliche Einblasung zu einer deutli-
Der Schwerpunkt des Forschungsprojekts, das am Lehrstuhl für chen Erhöhung des Tumbles führt, während eine Einblasung mit
Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen Univer- zentraler Lage die Bewegung der Zylinderinnenströmung in diesem
sität und am Lehrstuhls für Mobile Systeme (IMS) der Otto-von- Fall kaum beeinflusst.
Guericke-Universität (OVGU) durchgeführt wurde, lag auf der
gesamtheitlichen Bewertung des homogenen stöchiometrischen
4 UNTERSUCHUNGEN AM EINZYLINDERMOTOR
Brennverfahrens in Kombination mit einer Hochlast-Abgasrück-
führung (AGR) und einer Miller-Ventilsteuerung. Die Grundlagen- Die grundlegenden Brennverfahrensuntersuchungen umfassten
untersuchungen zur Gemischbildung wurden sowohl in einer den stöchiometrischen Teillast- und Volllastbetrieb, die Ladungs-
Niederdruckeinspritzkammer als auch an einem geschleppten,
optisch zugänglichen Einzylinder-Forschungsmotor durchgeführt
und numerisch gestützt. Die Erkenntnisse wurden auf einen geo-
metrisch baugleichen thermodynamischen Einzylinder-Forschungs-
motor übertragen und um weitere numerische Untersuchungen
ergänzt. Die Experimente wurden auf einen Mehrzylindermotor
von Ford übertragen, deren Ergebnisse abschließend in ein
0-D-/1-D-Motormodell eingeflossen sind. In diesem Beitrag wer-
den die thermodynamischen und numerischen Untersuchungs
ergebnisse vorgestellt.
2 METHODIK
Optische Untersuchungen sind unabdingbar für die Validierung des
CNG-Injektormodells mit einer 3-D-Simulation durch Computatio-
nal Fluid Dynamics (CFD). Aufgrund der Simulationen können die
Brennraum- und Kolbengeometrie, der Sprühwinkel des DI-Injektors
sowie der Einstellparameter der Einblasung optimiert werden.
Zur thermodynamischen Analyse des Brennverfahrens wurde
ein Otto-Einzylinder-Forschungsmotor mit Direkteinspritzung und BILD 1 Einfluss des Einblaszeitpunktes und der Injektorposition bei n = 1500/min
einem Verdichtungsverhältnis ε = 13, 0,4 l Hubvolumen, vier Ven- und pmi = 20 bar auf die Tumble-Ausbildung im Brennraum (© VKA, IMS)
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BILD 2 AGR-Variation bei n = 1500/min und pmi = 20 bar mit später zentraler Einblasung; Tint = 25 °C; pCNG = 16 bar; DI zentral; ε = 13; Luftzahl λ = 1;
Auslass geschlossen = 9 °KW (vor Ladungswechsel-OT); Einlass geöffnet = 15 °KW (nach Ladungswechsel-OT); Einspritzbeginn (Start Of Injection)
SOI = 150 °KW (vor Zünd-OT) (© VKA, IMS)
verdünnung mittels (Niederdruck-) AGR und Luftüberschuss sowie den. Der Emissionskompromiss blieb bestehen, was zu um
Katalysator-Heizen. BILD 2 zeigt an einem Beispiel die AGR-Varia- 100 % erhöhten Emissionen von unverbrannten Kohlenwasser-
tion mit CNG in einem für das Eckdrehmoment repräsentativen stoffen (HC) führte.
Betriebspunkt mit einer Drehzahl n = 1500/min und einem indi-
zierten Mitteldruck pmi = 20 bar. Der indizierte Wirkungsgrad
5 UNTERSUCHUNGEN AM MEHRZYLINDERMOTOR
konnte um 0,7 %-Punkte gesteigert werden bei einer AGR-Rate
von X AGR = 28 %. Aufgrund der hohen Klopffestigkeit von CNG war Neben den wesentlichen Veränderungen wie einem CNG-Rail und
die Verbrennungsschwerpunktlage mit X AGR = 0 % bereits ver- CNG-DI-Injektoren wurden weitere Modifikationen am Mehrzylinder-
brauchsoptimal. In dieser Hinsicht führte die Erhöhung der AGR- motor vorgenommen. Die Konstruktion der Hochdruck-AGR-Leitung
Rate nicht zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Hoch- wurde aus einer 1-D-Simulation abgeleitet. Die homogene Verteilung
druckprozesses. Bei verbrauchsoptimaler Verbrennungsschwer- des Abgases wurde in einer 3-D-CFD-Simulation überprüft. Auf-
punktlage konnte der Zylinderspitzendruck trotz zusätzlicher grund der hohen Klopffestigkeit von Erdgas wurde ε durch eine
zurückgeführter Abgasmenge nicht reduziert werden. Der erhöhte modifizierte Kolbengeometrie von 10 : 1 auf 13 : 1 erhöht und ent-
Inertgasanteil führte jedoch zu einer um 5 °KW verlängerten sprach somit dem Einzylinder. Die Untersuchungen der verschiede-
Brenndauer. Gleichzeitig stieg die Verbrennungsstabilität – aus nen AGR-Raten wurden mit der Serienzündanlage durchgeführt.
gedrückt durch den Variationskoeffizienten (Coefficient of Varia-
tion, COV) des indizierten Mitteldrucks –, COVPMI um 1,2 %-Punkte.
6 THERMODYNAMISCHE UNTERSUCHUNGEN
Der wichtigste thermodynamische Vorteil der hohen AGR-Raten
kann in geringeren Wärmeverlusten bei der Verbrennung gesehen Im CNG-Betrieb des Mehrzylindermotors stieg der mittlere Zylinder-
werden. Die Stickoxidemissionen (NOx) konnten aufgrund der druck aufgrund des höheren Verdichtungsverhältnisses und der frü-
niedrigeren Verbrennungstemperaturen um 75 % reduziert wer- heren Entzündung. Der optimale Bereich des Verbrennungsschwer-
Bei 5% AGR [%] Bei 10 % AGR [%]
NO x-Emissionen ⇩ 12 – 26 ⇩ 40 – 60
HC-Emissionen ⇧ 12 – 26 ⇧ 12 – 26
CH 4 -Emissionen ⇧ 4 – 24 ⇧ 26 – 47
HCHO-Emissionen ⇧ 10 – 28 ⇧ 40 – 60
CO-Emissionen Kein Trend ersichtlich Kein Trend ersichtlich TABELLE 1 Änderungen der Rohemissionen bei AGR-Variation
und ohne AGR im Vergleich (© VKA, IMS)
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punkts konnte jedoch aufgrund der Spitzendruckbegrenzung von gegendruck und Spülverluste. Die Schwerpunktlage konnte in allen
160 bar bei den Volllastuntersuchungen nicht eingehalten werden. Betriebspunkten bei circa 8 °KW gehalten werden. Durch die Bei-
Die ursprüngliche Idee, den Zylinderspitzendruck bei konstantem mengung von gekühltem Abgas mit Tint = 25 °C konnte einer Erhö-
Verbrennungsschwerpunkt durch Erhöhung der Abgasmasse zu hung der NOx-Rohemissionen, der Verbrennungs- und Abgastem-
reduzieren, erwies sich als nicht praktikabel, da der Einfluss des peraturen auch bei steigendem Ladedruck entgegengewirkt wer-
Abgases im Brennraum über die verringerte Verbrennungstempe den. Der Inertgas-Anteil führt aufgrund der höheren Wärmekapazität
ratur dominiert. Demgegenüber steht eine leichte Erhöhung des zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen und folglich zu einem
indizierten Wirkungsgrads bis 4500/min aufgrund reduzierter Wand längeren Brennverzug und langsamerer Verbrennung. Der Zünd-
wärmeverluste und eine deutliche Reduktion der NOx-Emissionen winkel wurde nach vorne verschoben, um den gleichen Verbren-
über den gesamten Betriebsbereich. Die HC-Emissionen stiegen nungsschwerpunkt zu halten. Dennoch stiegen die mittleren und
jedoch gleichzeitig merklich zwischen 12 bis 26 % an, TABELLE 1. maximalen Zylinderspitzendrücke aufgrund der AGR leicht an.
Der gleiche Trend zeigte sich bereits bei den Untersuchungen
am Einzylindermotor.
7 ÜBERTRAGBARKEIT DER DATEN
In den gesamten Volllastuntersuchungen bei einem indizierten
Mitteldruck von 23 bar blieben Klopfereignisse aus. Da die Spit- Ob die Ergebnisse aus den Untersuchungen der Hochlast-AGR bei
zendruckbegrenzung eine Abschätzung des Potenzials der Hoch- 70 % Last auf Motoren mit höherer Spitzendruckbegrenzung über-
last-AGR hinsichtlich Motoren höherer Limitierungen erschwerte, tragbar sind, wurde durch einen Trendlinienvergleich ermittelt.
wurden die Untersuchungen bei 70 % des Volllastdrehmoments Während BILD 3 die absoluten Veränderungen zeigt, stellt BILD 4
wiederholt. Bei diesen Betriebspunkten ist die Begrenzung des die prozentualen durch den Einfluss von 5 % AGR auf die Basis
Zylinderdrucks auf 160 bar nicht relevant. Ein Trendlinienvergleich der Messungen ohne AGR dar. Der Wirkungsgradgewinn erhöhte
zeigt, dass die hieraus generierten Ergebnisse übertragbar sind. sich bei konstantem Verbrennungsschwerpunkt, und die negativen
Aufgrund der gegebenen Vergleichbarkeit zu den Untersuchungen Auswirkungen verlagerten sich in Richtung höherer Motordrehzah-
bei Volllast (pmi = 23 bar) werden nur die Ergebnisse bei 70 % len. Brennverzug und -dauer nahmen in gleichem Maße zu. Das
Last (pmi = 16 bar) gezeigt, BILD 3. Wegen des nötigen Mindest- Emissionsverhalten korreliert für die Volllast und 70 % Last. Mit
druckgradienten zwischen Auslass- und Einlassseite zur Realisie- Ausnahme der Betriebspunkte ab n = 4000/min kann festgestellt
rung der Hochdruck-AGR konnten die verschiedenen AGR-Raten werden, dass sich die Verbrennungstemperatur durch die Hoch-
erst ab n = 2500/min realisiert werden. Mit steigender Drehzahl last-AGR in der Volllast stärker senken lässt.
ließen sich auch höhere AGR-Raten darstellen, das Maximum Die Untersuchung beider Betriebsbereiche zeigt ein ähnliches
wurde bei 10 % erreicht. Da das rückgeführte Abgas einen Teil Verhalten. Daher können die Ergebnisse als konsistent angesehen
der Ladeluft verdrängt, musste der Ladedruck angepasst werden. werden und erlauben die Übertragung auf Motoren mit höheren
Dementsprechend erhöhen sich Gesamtmassenstrom, Abgas Spitzendruckgrenzen.
BILD 3 AGR-Variation bei pmi = 16 bar; n = 2500-5000/min; pCNG = 16 bar; SOI = 360-180 °KW (vor Zünd-OT);
mittlerer Spitzendruck = 102-110 bar; maximaler Spitzendruck = 115-137 bar, λ = 1 (© VKA, IMS)
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BILD 4 Vergleich des AGR-Einflusses bei pmi = 16 bar und pmi = 23 bar; n = 2500-5000/min; pCNG = 16 bar; SOI = 360-180 °KW (vor ZOT); λ = 1 (© VKA, IMS)
8 LÄNGSSIMULATION gradvorteilen bis n = 4000/min. Die Spitzendrücke konnten bei
gleicher Schwerpunktlage nicht reduziert werden. CNG als Kraft-
Um eine qualitative Aussage über eine CO2-Emissionsreduktion stoff mit entsprechenden Motormodifikationen hat also in vielerlei
im Realbetrieb (Real Driving Emissions, RDE) abschätzen zu kön- Hinsicht großes Potenzial. Insbesondere bei der Zugabe oder der
nen, wurde auf Basis der Messdaten ein Verbrauchskennfeld für ausschließlichen Verwendung regenerativ erzeugten Methans
den CNG-Betrieb erstellt. Laut der Simulation, die die Verbrauchs- könnte ein monovalenter CNG-Antrieb eine extrem CO2-arme
kennfelder, den RDE-Zyklus und die Fahrzeugparameter umfasst, beziehungsweise -neutrale Technologie darstellen.
ergibt sich ein Reduktionspotenzial von 22 % gegenüber Benzin-
betrieb. Dieses Potenzial könnte durch weitere Optimierung der
LITERATURHINWEIS
Anwendungsparameter noch weiter erhöht werden, zum Beispiel [1] Isermann, R.: Mechatronische Systeme – Grundlagen.
im Bereich niedriger Last durch Extrapolation des Verbrauchs- 2. Aufl., Berlin Heidelberg New York: Springer Verlag, 2008
kennfelds.
9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Die in Auszügen präsentierte Forschungsarbeit umfasst verschie-
DANKE
dene experimentelle und numerische Untersuchungen, um das Das Forschungsvorhaben (FVV-Projekt-Nr. M2414) wurde am Lehrstuhl für
Potenzial einer Erdgas-Direkteinspritzung zu bewerten. Die opti- Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen Universität unter der
schen Untersuchungen lieferten Grundlagenwissen zur direkten Leitung von Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger und am Lehrstuhl für Mobile Systeme
Gaseinblasung sowie wichtige Erkenntnisse zur Validierung des (IMS) der Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) Magdeburg unter der Leitung
entwickelten 3-D-CFD-Injektormodells. Eine seitliche Einblasung von Prof. Dr.-Ing. Hermann Rottengruber durchgeführt. Es wurde mit Eigenmitteln
verstärkt das Tumble-Niveau deutlich gegenüber einer zentralen finanziell gefördert und von einem Arbeitskreis unter der Leitung von Dr.-Ing.
Einblasung, sowohl bei einem frühen als auch späten Einblaszeit- Helmut Ruhland (Ford Werke GmbH) begleitet. Die Autoren bedanken sich bei
punkt. Eine frühe zentrale Einblasung behindert sogar die vollstän- den Fördergebern, der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen
dige Ausbildung des Tumbles. Insbesondere die motorischen (FVV) e. V. Weiterer Dank gilt Ford für die Bereitstellung der Vollmotor-Versuchs-
Untersuchungen ermöglichten detaillierte Aufschlüsse über die daten und des Simulationsmodells sowie der Firma Delphi für die Bereitstellung
Ausbreitung und Gemischbildung der CNG-Einspritzung. Die ther- von Injektoren und einer dazugehörenden elektronischen Motorsteuerung sowie
modynamischen Untersuchungen am Einzylindermotor zeigten, allen Projektbeteiligten für die Unterstützung des Vorhabens.
dass AGR ein limitiertes Potenzial aufweist, um die Verbrennungs-
schwerpunktlage aufgrund eines limitierten Spitzendrucks zu
beeinflussen. Die Vollmotoruntersuchungen mit Hochlast-AGR READ THE ENGLISH E-MAGAZINE
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92 www.springerprofessional.de/automobiltechnikSie können auch lesen
