Modellierung und Untersuchung von Partikelbildung bei DI-Ottomotoren in transienten Fahrsituationen
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FORSCHUNG Berechnung und Simulation
AUTOREN
Modellierung und Untersuchung
von Partikelbildung bei DI-Ottomotoren
in transienten Fahrsituationen
Alexander Heinz, M. Sc.
ist Wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für Eine innermotorische Reduktion der Partikelzahl ist anzustreben, speziell bei
Kolbenmaschinen (IFKM)
am Karlsruher Institut für
Ottomotoren müssen dennoch auch die Partikelfilter effizienter gestaltet werden.
Technologie (KIT). Beides gelingt nur durch ein tieferes Verständnis der Prozesse im Brennraum
und deren modellgestützte Simulation. Am Karlsruher Institut für Technologie
(KIT) und an der Technischen Universität Darmstadt wurde im FVV-Vorhaben
Systemische Analyse der Partikelbildung an Ottomotoren (FVV-Nr. 1282) eine
Methodik zur Simulation der Partikelanzahl bei zwei Ottomotoren unter transien-
Alexander Stalp, M. Sc. ten Bedingungen entwickelt.
ist Wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für
Verbrennungskraftmaschi-
nen und Fahrzeugantriebe
(VKM) an der Technischen
Universität Darmstadt.
Prof. Dr. Christian Beidl
ist Leiter des Instituts
für Verbrennungskraft
maschinen und Fahrzeug-
antriebe (VKM) an der
Technischen Universität
Darmstadt.
Prof. Dr. Thomas Koch
ist Leiter des Instituts für
Kolbenmaschinen (IFKM)
am Karlsruher Institut für
Technologie (KIT).
© KIT
66 www.springerprofessional.de/automobiltechnik
1 MOTIVATION
Motorkennwerte Motor IFKM Motor VKM
2 PRÜFSTANDSAUFBAU
3 MOST- RELE VANT-TEST
Benzindirekt Benzindirekt
Brennverfahren
einspritzung einspritzung
4 TEMPER ATURVARIATION UND RUSSQUELLEN
Anzahl Zylinder 6 3
5 MODELL AUFBAU
6 VALIDIERUNG Hubraum 2979 cm³ 999 cm³
7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Maximale 225 kW bei 85 kW bei 5000
Leistung 5800/min bis 6000/min
Maximales 400 Nm bei 170 Nm bei
Drehmoment 1200 bis 5000/min 1800 bis 4500/min
Kompressions
10,2 : 1 10,5 : 1
verhältnis
1 MOTIVATION TABELLE 1 Kenndaten der untersuchten Ottomotoren (© KIT | TU Darmstadt)
In vorangegangenen Arbeiten wurde bereits intensiv der Einfluss
verschiedener Motorparameter auf das Partikelverhalten von Otto-
motoren mit Direkteinspritzung untersucht. Dabei wurden die Par- 3 MOST-RELEVANT-TEST
tikelquellen sowohl in Stationäruntersuchungen an Forschungsein-
zylindermotoren als auch in Lastsprüngen am seriennahen Vollmotor Um ein allgemeingültiges Partikelmodell für DI-Ottomotoren zu
aufgeklärt [1, 2]. Insbesondere die Bedeutung von Bereichen inho- erstellen, ist eine Analyse vieler unterschiedlicher Fahrszenarien
mogener Verbrennung wie Poolflammen an Brennraumwand und erforderlich, die für die Partikelbildung im Brennraum relevant
Kolben konnte aufgezeigt werden [3]. sind. Diese Szenarien müssen in reproduzierbare Testzyklen über-
Durch die RDE-Gesetzgebung erhalten Versuche zu transienten tragen werden. Hierfür wurde ein am VKM entwickelter Most-Rele-
Fahrzuständen im Vergleich zu allein stationären Tests einen höhe- vant-Test (MRT) verwendet [4, 5].
ren Stellenwert. Im Forschungsprojekt, das am Institut für Kolben- Um ein möglichst breites Spektrum an Läufen hinsichtlich RDE
maschinen (IFKM) des KIT und am Institut für Verbrennungskraft- zu erhalten, wurde eine Auswahl von Parametern variiert. Die unter-
maschinen und Fahrzeugantriebe (VKM) der TU Darmstadt durch- schiedlichen Läufe wurden, je nachdem, einem moderaten oder
geführt wurde, lag daher der Fokus auf für Partikelemissionen einem aggressiven Höhen- und Geschwindigkeitsprofil zugeordnet,
kritische Fahrzustände, die sich während des transienten Motor- entsprechend in vorausschauendes oder sportliches Fahren. Darü-
betriebs ergeben. Die Partikelquellen sollten identifiziert und die ber hinaus wurden die Fahrten mit kaltem oder warmem Motor
gefundenen Zusammenhänge mittels eines Modells für die Parti- durchgeführt. Die sich hieraus ergebende Vielzahl von unterschied-
kelanzahl abbildbar gemacht werden. lichen Fahrten wurde auf partikelkritische Ereignisse untersucht.
Diese wurden mit zwei unterschiedlichen Methoden analysiert. Der
gemessene Partikelstrom dient dabei als Grundlage. Bei der „Maxi-
2 PRÜFSTANDSAUFBAU
mum-Methode“ wird nach den drei höchsten Partikelfluss-Spitzen
Für die Untersuchungen wurden an den Instituten zwei unter- mit einer Öltemperatur über 50 °C und nach der höchsten Spitze
schiedliche Ottomotoren herangezogen: Das IFKM setzte einen unter 50 °C gesucht. Die „Wholepeak-Methode“ hingegen sucht in
Reihensechszylinder- und das VKM einen Reihendreizylinder Otto- einem ersten Schritt nach allen lokalen Minima und Maxima des
motor ein, jeweils mit Direkteinspritzung sowie Turboaufladung. Partikelflusses eines RDE-Laufs, BILD 1. In einem zweiten Schritt
Die Kenndaten sind in TABELLE 1 aufgeführt. Die Messwerte des wird der Partikelstrom zwischen zwei Minima integriert. Anschlie-
Prüfstands, der Motorsteuerung und des Partikelzählers (Cambus- ßend werden die drei Ereignisse mit der höchsten integrierten
tion DMS 500) wurden mit einer Rate von 10 Hz erfasst. Zusätz- Gesamtpartikelzahl über 50 °C und das Ereignis mit der höchsten
lich wurden optische Messverfahren eingesetzt: Am IFKM kamen Gesamtpartikelzahl unter 50 °C ausgewählt. Die ermittelten kriti-
Hochgeschwindigkeitskamerasysteme zur Identifizierung von Ruß- schen Ereignisse werden in einer repräsentativen Reihenfolge so
quellen zum Einsatz; das VKM nutzte zur Analyse des Rußleuch- aneinandergefügt und verbunden, dass ein neuer Prüfzyklus – der
tens eine faseroptische Zündkerze. MRT-Lauf entsteht. Dieser ist in BILD 2 dargestellt.
BILD 1 Minimum und Maximum des Partikelflusses bei
einem RDE-Lauf zur Anwendung der „Wholepeak-Methode“
(© TU Darmstadt)
MTZ 10|2021 82. Jahrgang 67
FORSCHUNG Berechnung und Simulation
BILD 2 Fahrprofil des im Projekt verwendeten
Most-Relevant-Tests in Bezug zur Gaspedal
stellung (oben) und Drehzahl (unten) mit iden
tifizierten kritischen Events (1-11) und einer
Konditionierphase (C1) (© TU Darmstadt)
4 TEMPERATURVARIATION UND RUSSQUELLEN Versuchsreihe von einheitlichen Rußquellen ausgegangen werden
kann. Der Temperatureinfluss auf die Partikelanzahlkonzentration
Für die Variation der Motortemperatur wurden sowohl das Motorkühl- fällt dementsprechend moderat aus. Die Mittelwertbetrachtung
mittel als auch die Öltemperatur extern konditioniert. Der Verlauf der besteht aus zehn aufeinanderfolgenden MRTs. Lediglich bei 40 °C
Temperatur in Brennraumwandnähe lässt sich somit reproduzierbar Motortemperatur erhöht sich die kumulierte Partikelanzahl im MRT
einstellen. Die hier dargestellten Ergebnisse zeigen die Partikelemis- leicht, BILD 4. Im gemittelten Partikelgrößenspektrum zeigt sich
sionen bei drei Zieltemperaturen: 40, 60 und 85 °C. eine Veränderung hinsichtlich der Akkumulationsmode. Zusätz
Das Rußeigenleuchten im Brennraum wurde über endoskopische liche Partikel entstehen in der Größenklasse < 100 nm.
Zugänge analysiert. Ein Hauptaugenmerk bei der Modellgenerierung
ist auf die Art und die Häufigkeit der beobachteten Rußquellen zu
5 MODELLAUFBAU
legen. Ein verändertes Verhalten der Partikelemissionen, zum Bei-
spiel durch ein vermehrtes Auftreten von Rußquellen durch Kolben- Für das eigentliche Modell wurden zunächst jeweils Einzelmodelle
benetzung, würde zu einer deutlichen Erhöhung der Partikelanzahl- für die verwendeten Motoren basierend auf den experimentellen
konzentration führen. Untersuchungen entwickelt. Dieses Vorgehen stellte die Eignung
Der gesamte MRT-Lauf wurde zyklenweise im Bereich von des Modellansatzes an sich sicher, denn es zeigte sich hier bereits,
15 °KW nach ZOT bis über das Verbrennungsende hinaus endos- welche Einschränkungen bei einzelnen Parametervariationen auf-
kopisch aufgenommen. Die entstehenden Aufnahmen beinhalten traten. Als Datengrundlage für die Modellierung diente der MRT.
je Zyklus eine integrierte Intensität je Pixel. Die Kamera ist dabei Wie andere phänomenologische Modelle basiert auch das hier
in der Lage, abhängig von der Motordrehzahl jeden zweiten bis verwendete auf einem Polynommodell. Das Regressionsmodell hat
dritten Zyklus aufzunehmen. Mittels Bildsegmentierung wurde das mit p als Anzahl der Modellterme, xi als Wert der Variablen im
Rußleuchten analysiert und das Auftreten als Aufenthaltswahr- Punkt i und den Modellkoeffizienten β i die Form von Gl. 1:
scheinlichkeit wie in BILD 3 dargestellt. Als einzige regelmäßige
Rußquelle lässt sich die Injektorspitze in 10 bis 15 % der Verbren- Gl. 1
nungszyklen identifizieren. Dieses Verhalten ändert sich auch y = β 0 + m ax ( | x | ) * x + … + m ax ( | x | ) * x p = ( y 0 + y 1 * x + … + y p * x p )
_ β 1 _ β
p
p
i
∀i
nicht grundlegend mit der Temperatur, sodass für die gesamte
i
∀i
BILD 3 Aufenthaltswahrscheinlichkeit
von Rußleuchten im Brennraum über
einen ganzen MRT-Lauf (© KIT)
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BILD 4 Kumulierte Partikelanzahl der Temperatur
variation (links) und mittlere Partikelgrößenver
teilung (rechts) (© KIT)
Zur Vergrößerung des Testbereichs wurden bei jeder Forschungs- 6 VALIDIERUNG
einrichtung allgemein variierende Parameter detaillierter unter-
sucht: die Drehzahl, die Last (pme), der Einspritzbeginn, die Öl- und Zur Validierung wurde ein simulierter Lauf nach dem Worldwide
die Wassertemperatur. Darüber hinaus wurden Variationen von Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycles (WLTC) verwendet.
Lambda, die externe und interne Abgasrückführung (AGR), der Dabei wurde das Verhalten des in der Engine-in-the-Loop(EiL)-
Raildruck sowie der Anteil an Ethanol im Kraftstoff analysiert. Software simulierten Fahrzeugs in der Schaltstrategie auf den
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MTZ 10|2021 82. Jahrgang 69
FORSCHUNG Berechnung und Simulation
BILD 5 Vergleich von simulierter und gemessener Parti-
kelanzahl im WLTC (oben) und abschnittsweise relative
Abweichung zwischen Modell und Experiment (unten)
(© KIT)
breiteren Drehzahlbereich des MRTs angepasst. BILD 5 (oben) zeigt LITERATURHINWEISE
die kumulierten Partikelanzahlen aus Modell und Experiment. [1] Dageförde, H.: Untersuchung innermotorischer Einflussgrößen auf
die Partikelemission eines Ottomotors mit Direkteinspritzung. Karlsruhe,
Die größten relativen Abweichungen, BILD 5 (unten), entstehen Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dissertation, 2015
am Anfang des Laufs und hier insbesondere zwischen 300 und [2] Bertsch, M.: Experimental Investigations on Particle Number Emissions
600 s. Dies lässt sich mit dem vermehrten Auftreten von Leer- from GDI Engines. Karlsruhe, Karlsruher Institut für Technologie (KIT),
laufphasen in diesem Bereich des WLTC erklären. Diese Fahrsitu- Dissertation, 2017
[3] Disch, C.: Untersuchung der Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoff-
ation wurde im Projekt nicht im Detail betrachtet, jedoch haben entstehung eines Ottomotors mit Direkteinspritzung im transienten Betrieb.
die absoluten Partikelströme in den Leerlaufphasen für den Karlsruhe, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dissertation, 2017
Gesamtlauf eine untergeordnete Bedeutung. Insgesamt beträgt [4] Hummel, N.; Thiem, M.; Steinhaus, T.; Beidl, C.: Emissionsoptimierung
am hybriden Sattelzug mittels Most Relevant Testing. In: Liebl, J. (Hrsg.):
die relative Abweichung am Ende des Laufs 2,2 %.
Experten-Forum Powertrain: Ladungswechsel und Emissionierung 2019.
Des Weiteren wurde das Verhalten des Modells in einzelnen tran- Proceedings. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2019
sienten Fahrmanövern genauer analysiert. Neben den schon erwähn- [5] Hipp, J.; Schmidt, D.; Steinhaus, T.; Bauer, S.; Beidl, C.: Methodikbaukasten
ten Leerlaufphasen ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen zur effizienten, zielgerichteten RDE Entwicklung Potentiale und Perspektiven.
In: Liebl, J. (Hrsg.): Simulation und Test 2018. 20. MTZ-Fachtagung. Wiesbaden:
Modell und Experiment, insbesondere bei Last und Drehzahlram-
Springer Vieweg, 2018
pen. Singuläre kurze Spitzen werden durch die verringerte Frequenz
(1 Hz anstelle der Messgerätfrequenz von 10 Hz) gedämpft wieder-
gegeben und eher unterschätzt, Lastwegnahmen aus dem gleichen
Grund eher überschätzt. Insgesamt lässt sich mit dem gewählten
Ansatz das Partikelverhalten im WLTC und MRT gut wiedergeben.
DANKE
Das Forschungsvorhaben (FVV-Projektnr. 1282) wurde am Institut für Kolben-
maschinen (IFKM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter der
7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Leitung von Prof. Dr. Thomas Koch und am Institut für Verbrennungskraftma-
schinen und Fahrzeugantriebe (VKM) der Technischen Universität Darmstadt
Im Rahmen des Forschungsvorhabens gelang die Entwicklung und
unter der Leitung von Prof. Dr. Christian Beidl durchgeführt. Es wurde durch
Validierung einer geeigneten Methodik für Ottomotoren zur Simu-
das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsge-
lation der Partikelanzahl im transienten Verhalten. Hierzu wurde
meinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) e. V. (IGF-Fördernr.
mithilfe eines speziellen Testzyklus, dem MRT, eine Parameter-
19644 N) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags finanziell
studie an zwei unterschiedlichen Motoren durchgeführt. Auf Basis
gefördert und von einem Arbeitskreis unter der Leitung von Prof. Dr. Peter
von Messungen der Partikelanzahl sowie Identifizierung von Ruß- Prenninger (AVL List GmbH) begleitet. Die Autoren bedanken sich bei den
quellen mit optischer Messtechnik konnte ein empirisches Modell Fördergebern, der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV)
aufgebaut werden, das eine gute Reproduktion der Gesamtpar- e. V. und allen Projektbeteiligten für die Unterstützung des Vorhabens.
tikelemissionen eines Testlaufs darstellt. Zur Erstellung eines all-
gemeingültigen Modells nach dieser Methodik müssen weitere
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