Das Projekt "Teilvorhaben: Robert Bosch GmbH" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Robert Bosch GmbH durchgeführt. Erdgas ist einer der bedeutendsten Alternativ-Kraftstoffe. Für eine zukunftsfähige Erdgasmobilität ist die Erschließung der Direkteinblasung als neuem Technologiepfad erforderlich. Erst damit können eine weitere Reduzierung der Emissionen von Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) sowie Partikeln ermöglicht und Emissionsziele kostengünstig erreicht werden. Die bisher praktizierte Erweiterung von Motoren mit Benzindirekteinspritzung um eine Gas-Saugrohreinblasung ist für einen optimalen Gasbetrieb nicht ausreichend. Stattdessen ist die Entwicklung eines geeigneten Brennverfahrens und der notwendigen Komponenten erforderlich. Ein derartiges Brennverfahren erhöht nicht nur die Effizienz des Motors, sondern verbessert auch seine Drehmomentcharakterisitik. Dies kommt der Fahrbarkeit und damit der Akzeptanz beim Endkunden zugute. In Direct4Gas werden hierzu homogene Brennverfahren sowie ein direkt in den Brennraum einblasender Gasversuchsinjektor entwickelt und entsprechende Versuchsmuster in Gasmotorprototypen auf dem Prüfstand und im Fahrzeug erprobt. Für die bei Erdgas erhöhten Abgasnachbehandlungsanforderungen werden neuartige Katalysator-Versuchsmuster eingesetzt. Über das Konsortium ist eine ganzheitliche Bewertung der lndustrialisierbarkeit gegeben. Über einen weiteren Forschungspfad wird zusätzlich das Langfristpotential von Gasmotoren bewertet. Hierzu werden magere Brennverfahren bis hin zur Schichtladung untersucht. Die teilweise deutlich höheren Anforderungen an Gemischbildung, Injektor inkl. Ansteuerung, Zündung und Abgasnachbehandlung werden erarbeitet und Lösungsansätze bewertet. Das Projekt gliedert sich in die Arbeitspakete 'Systemanalyse und -anforderungen', 'Konzeptionierung und Motoraufbau', 'Gemischbildung, Brennverfahren und Abgasnachbehandlung', 'Komponenten und Funktionsmuster', 'Aufbau im Fahrzeug und Funktionstest', 'Simulation und Modellbildung' sowie 'Evaluierung'. Konsortialpartner sind die Robert Bosch GmbH als Konsortialführerin, die Daimler AG und das Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS); die Umicore AG & Co. KG ist assoziierter Partner.
Das Projekt "Teilvorhaben: Daimler AG" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Mercedes-Benz Group AG durchgeführt. Erdgas ist einer der bedeutendsten Alternativ-Kraftstoffe. Für eine zukunftsfähige Erdgasmobilität ist die Erschließung der Direkteinblasung als neuem Technologiepfad erforderlich. Erst damit können eine weitere Reduzierung der Emissionen von Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) sowie Partikeln ermöglicht und Emissionsziele kostengünstig erreicht werden. Die bisher praktizierte Erweiterung von Motoren mit Benzindirekteinspritzung um eine Gas-Saugrohreinblasung ist für einen optimalen Gasbetrieb nicht ausreichend. Stattdessen ist die Entwicklung eines geeigneten Brennverfahrens und der notwendigen Komponenten erforderlich. Ein derartiges Brennverfahren erhöht nicht nur die Effizienz des Motors, sondern verbessert auch seine Drehmomentcharakterisitik. Dies kommt der Fahrbarkeit und damit der Akzeptanz beim Endkunden zugute. In Direct4Gas werden hierzu homogene Brennverfahren sowie ein direkt in den Brennraum einblasender Gasversuchsinjektor entwickelt und entsprechende Versuchsmuster in Gasmotorprototypen auf dem Prüfstand und im Fahrzeug erprobt. Für die bei Erdgas erhöhten Abgasnachbehandlungsanforderungen werden neuartige Katalysator-Versuchsmuster eingesetzt. Über das Konsortium ist eine ganzheitliche Bewertung der lndustrialisierbarkeit gegeben. Über einen weiteren Forschungspfad wird zusätzlich das Langfristpotential von Gasmotoren bewertet. Hierzu werden magere Brennverfahren bis hin zur Schichtladung untersucht. Die teilweise deutlich höheren Anforderungen an Gemischbildung, Injektor inkl. Ansteuerung, Zündung und Abgasnachbehandlung werden erarbeitet und Lösungsansätze bewertet. Das Projekt gliedert sich in die Arbeitspakete 'Systemanalyse und -anforderungen', 'Konzeptionierung und Motoraufbau', 'Gemischbildung, Brennverfahren und Abgasnachbehandlung', 'Komponenten und Funktionsmuster', 'Aufbau im Fahrzeug und Funktionstest', 'Simulation und Modellbildung' sowie 'Evaluierung'. Konsortialpartner sind die Robert Bosch GmbH als Konsortialführerin, die Daimler AG und das Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS); die Umicore AG & Co. KG ist assoziierter Partner.
Das Projekt "Teilvorhaben: FKFS" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von FKFS Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart durchgeführt. Erdgas stellt heute den bedeutendsten Alternativ-Kraftstoff dar. Für eine zukunftsfähige Erdgasmobilität ist die Erschließung des neuen Technologiepfades einer Direkteinblasung erforderlich. Erst damit wird die Reduzierung von CO2, PN, PM und NOx kostengünstig realisierbar. Moderne Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung sind nicht ausreichend auf den Gasbetrieb ausgelegt. Hierzu werden homogene Brennverfahren mit den hierfür erforderlichen Versuchsmustern bestehend aus Gasmotorprototypen (Prüfstand und Fahrzeug) inkl. Steuerung sowie ein neuartiger direkt in den Brennraum einblasender Gasversuchsinjektor aufgebaut. Auch die bei Erdgas erhöhten Abgasnachbehandlungsanforderungen werden über neuartige Versuchsmuster dargestellt. Über das Konsortium ist eine ganzheitliche Bewertung der Industrialisierbarkeit gegeben. Über einen weiteren Forschungspfad wird zusätzlich das Langfristpotential von Gasmotoren bewertet. Hierzu werden magere Brennverfahren bis hin zur Schichtladung untersucht. Die teilweise deutlich höheren Anforderungen an Gemischbildung, Injektor inkl. Ansteuerung, Zündung und Abgasnachbehandlung werden erarbeitet und Lösungsansätze bewertet. Um den Zielkonflikt zwischen effizienter, emissionsarmer Verbrennung und zuverlässiger, langlebiger und einfacher Komponente zu lösen, findet eine simultane Untersuchung von Gemischbildung, Brennverfahren, Abgasnachbehandlung und Injektor statt. Dies ermöglicht eine Optimierung des Gesamtsystems durch Abwägung zwischen innermotorischem Wirkungsgrad einerseits, Aufwand für Abgasnachbehandlung und Reduzierung der Klopfneigung bei schwankender Gasqualität andererseits. Die Integration der gefundenen Lösungen im Fahrzeug stellen das Potential des Verfahrens dar. Eine enge Verzahnung von Simulation, Modellbildung und Versuch ermöglicht das Verständnis der physikalischen Zusammenhänge. Dies unterstützt die effiziente Auslegung von Komponenten und Betriebsverfahren bis hin zu Funktionen der Motorsteuerung.
Das Projekt "Knowledge for ignition, acoustics and instabilities (KIAI)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG durchgeführt. For the time being, the European engine industry does not have at its disposal methodologies adapted to predict the unsteady behaviour of low NOx combustors. Consequently and in order to be able to set up the development of low NOx technologies, KIAI will deliver reliable unstationary CFD tools which will allow a deep comprehension of unsteady phenomena. The main objective of the KIAI project is to provide reliable methodologies to predict the stability of industrial low NOx combustors, as well as their ignition process from spark to annular combustion. When used at an early stage in the conception cycle of low NOx combustors, KIAI CFD methodologies will play a key role and considerably accelerate the delivery process of lean combustion technology with a proven capability to reach the 80Prozent NOx emissions reduction required for introduction into service before 2020 with the necessary reliability, safety and economical viability. As already demonstrated by past and ongoing studies and European projects, low NOx technologies lead to crucial unsteady phenomena that are neither controlled nor predictable at the moment. The scientific objectives of KIAI are directly linked to a better understanding and prediction of these unsteady phenomena: - Predict the coupling between the acoustics and the flame - Determine the acoustic boundary conditions of multiperforated plates surrounding the combustion chamber - Account for non-premixed spray flows in the combustion process - Explore aerodynamic unsteadiness in strutted pre-diffusers adapted to high mass flow injectors and develop a liquid film break-up model for an injector - Evaluate the sensitivity of LES predictions to small technological variations of geometry. Prime Contractor: SNECMA MOTEURS SA; Paris; France.
Das Projekt "Teilvorhaben: Abgasbehandlung an Magermotoren für Personenkraftwagen und Kleintransporter" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ford-Werke GmbH durchgeführt. Das Ford Research and Innovation Center Aachen übernimmt innerhalb des Projektes die Aufgabe der Implementierung des neuen Katalysators für einen möglichen Serieneinsatz. Dafür sind zunächst Untersuchungen am Synthesegasreaktor und dann am Motor nötig. Die motorische Steuerung einer NSK und eines SCR Systems ist eine komplexe Aufgabe, so muss z.B. der Eintrag der Stickoxide in das Abgassystem als Funktion des Motorbetriebszustandes bekannt sein, was durch eine Kombination entsprechender Sensoren und Computermodelle erreicht wird. Als nächster Schritt wird dann der Beladungszustand des Katalysators errechnet, wozu typische Eingangsgrößen die chemische Zusammensetzung des Abgases, der Volumenstrom und die Temperatur als Funktion der Zeit sind. Das Katalysatormodell muss dann die Einspeicherungsrate des Katalyten berücksichtigen sowie die Konvertierung der Stickoxide im Falle eines Fettsprungs beziehungsweise einer aktiven Dosierung von Harnstoff zur NH3 Erzeugung. Mit der Kenntnis des Beladungszustandes kann dann die aktive Regeneration des Katalysators zum richtigen Zeitpunkt ausgelöst werden. Für den Betrieb des Nachbehandlungssystems sind deshalb zwei Schritte nötig: zunächst muss der Katalysator anhand einer kleineren Probe auf einem Laborprüfstand genau charakterisiert werden. Danach muss dann an einem Motor die Motorsteuerung so bedatet werden, dass der Betrieb eines Systems in voller Größe dargestellt werden kann um die Leistungsfähigkeit in relevanten Fahrbetrieben zu demonstrieren und weiter zu optimieren.
Das Projekt "Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Entflammungselements für homogenbetriebene Gasmotoren - HSI (Hot Surface Ignition)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft, Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik durchgeführt. Für funkengezündete Magermotoren, den am häufigsten anzutreffenden BHKW-Antrieb, stellt vor allem das Erreichen geringer NOx-Emissionen eine große Herausforderung dar. Dies beruht auf der Tatsache, dass sich motorischer Wirkungsgrad und NOx-Emissionen in einem Zielkonflikt gegenüber stehen und bestimmte Grenzwerte nur mit Wirkungsgradeinbußen eingehalten werden können. Eine weitere Problematik stellt der Zündkerzenverschleiß und die damit verbundenen Wartungs- und Stillstandskosten dar. Eine Möglichkeit, die Probleme der Funkenzündung zu reduzieren, wird in der Oberflächenzündung gesehen. Aus Voruntersuchungen ging hervor, dass Oberflächenzündung in Form einer handelsüblichen Glühkerze eine Entschärfung des Zielkonflikts zwischen Wirkungsgrad und NOx-Emissionen grundsätzlich ermöglicht. Das verwendete Entflammungssystem zeichnete sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, allerdings war der Betriebsbereich hinsichtlich Lage der Verbrennung und Luftverhältnis sehr eingeschränkt und hohe Heizleistungen der Glühkerze für einen stabilen Motorbetrieb erforderlich. Das Projektziel dieses Vorhabens besteht in der Entwicklung eines geregelten Oberflächenzündsystems für Klein-Blockheizkraftwerke, das sich durch eine geringe Leistungsaufnahme auszeichnet und einen Motorbetrieb bei hohem Wirkungsgrad sowie geringen Emissionen ermöglicht. Hierzu soll die Entflammung am Glühstift mittels Verbrennungssimulation und Motorversuchen unter Verwendung von Lichtwellenleitermesstechnik untersucht und die Auswirkung verschiedener Parameter auf die Oberflächentemperatur bestimmt werden. Um im Stationärbetrieb trotz variierender Betriebsbedingungen (Umgebungsdruck und -temperatur, Gaszusammensetzung, etc.) einen stabilen Motorbetrieb zu ermöglichen, soll ein Algorithmus entwickelt werden, der ein Regeln der Verbrennungsschwerpunktlage durch Auswertung der Motorvibrationen in Echtzeit erlaubt. Die durchgeführten Untersuchungen ermöglichten, die Entflammung an heißen Oberflächen tiefgehend zu untersuchen. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse und Ansätze, um das HSI-System weiter zu optimieren. Bei der Schirmvariante gilt es dabei vor allem eine Vorentflammung im Schirm zu vermeiden. Bei Vorkammer-HSI gilt es ebenfalls, die Entflammung zu verzögern, sodass die Verbrennung erst nahe dem oberen Totpunkt eingeleitet wird. Dazu muss der Glühstift während des Ladungswechsels und dem größten Teil der Kompressionsphase durch Restgas vom Frischgemisch abgeschirmt werden. Aus Kosten- und Haltbarkeitsgründen ist die Verwendung einer massenproduzierten keramischen Glühkerze anzustreben. Die Optimierung des HSI-Reglers erlaubt eine deutliche Ausweitung des Betriebsbereichs sowohl hin-sichtlich einstellbarer Verbrennungsschwerpunktlagen als auch Luftverhältnisse. Um den HSI-Betrieb, insbesondere bei frühen Verbrennungsschwerpunktlagen, weiter zu stabilisieren und den Betriebsbereich weiter zu vergrößern, erscheint die Verwendung einer hochfrequent regelbaren
Das Projekt "Teilvorhaben: Voll formulierte DeNOx-Katalysatoren für Selbstzünder" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Umicore AG & Co. KG durchgeführt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, einen neuen Hybrid-Katalysator zu entwickeln, der effizient die Stickoxide aus dem Abgas entfernt, bevor sie in die Umwelt gelangen. Das Teilvorhaben von Umicore befasst sich mit der Entwicklung einer Beschichtung zum Aufbau von Hybridkatalysatoren (DeNOx-Prinzip) mit verifizierter Funktion und einem zugehörigen industrialisierbaren Beschichtungsverfahren.
Das Projekt "Teilvorhaben 3.2.2.A: Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe durchgeführt. Im Rahmen dieses Vorhabens wird eine Untersuchung der Wechselwirkungen der stark drallbehafteten Brennkammerströmung mit der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine einer Gasturbine durchgeführt. Hierdurch soll eine aerodynamische Optimierung der ersten Leitschaufelreihe sowie eine verbesserte Kühlfilmlegung ermöglicht werden, wodurch eine Erhöhung des Prozesswirkungsgrades erreichbar wird und somit eine Reduktion des CO2 Ausstoßes erfolgen kann, was unmittelbar zu einer Verminderung der Umweltbelastung durch Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen führt. Weiterhin kann das durch das Projekt gewonnene Wissen verwendet werden, um die Implementierung von Magerbrennkammern in Flugtriebwerken voranzutreiben. Hierdurch wird der Ausstoß von NOx reduziert, ein Gas, welches ebenfalls zu dem Treibhauseffekt beiträgt. Zu diesem Zweck wurde eine ebene Schaufelkaskade bestehend aus fünf Schaufeln sowie sechs Movable Block Drallerzeugern aufgebaut. Die mittleren drei Schaufeln der Kaskade sind mit FIlmkühlbohrungen ausgestattet. Die Drallerzeuger sind auf die Passagen der Kaskade gerichtet. Es wurden im Laufe der Untersuchungen verschiedene Parameter variiert. Diese sind Drallzahl der Drallerzeuger, Distanz zwischen Drallerzeuger und Schaufelkaskade, sowie die Ausblaserate der Sekundärluft. Das Strömungsfeld und die Drallzahlkennlinie der Drallerzeuger wurden mittels Particle Image Velocimetry vermessen. Weiterhin wurden Strömungsfeldvermessungen stromauf und stromab der Kaskade mittels Fünflochsonden durchgeführt sowie Messungen mittels des kalibrierten Ammoniak Diazo Verfahrens, um die adiabate Filmkühleffektivität an der Oberfläche der mittleren Kaskadenschaufel zu bestimmen.
Das Projekt "Verbrennungsmotoren mit motorexterner Kraftstoffvergasung - Otto-Gasmotoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe durchgeführt. Die Kombination von Magerkonzept und Hochverdichtung bei Ottobetrieb ist moeglicherweise eine konkurrenzfaehige Alternative zum Dieselmotor hinsichtlich Wirkungsgrad und Schadstoffemission. Dies gilt umso mehr, wenn durch eine am Motor mittels partieller Oxidation und Katalysator erfolgende Kraftstoffvergasung (Spaltvergaser) beim Ottobetrieb trotz Hochverdichtung rohoel-und erzeugungsenergiesparende niederoktanige Destillatkraftstoffe wie Rohbenzin,Kerosin und Dieselkraftstoff sowie sog. wide cut-Kraftstoff eingesetzt werden. An ein und demselben Grundmotor wurden vergleichende Versuche im Dieselbetrieb (Direkteinspritzung mit Ladungsdrall,E=20),Otto-Benzinbetrieb (E=13 bzw.E=10) und Otto-Gasbetrieb (Erdgas:E=13,Spaltgas:E=10)durchgefuehrt.Aufgrund des Magerbetriebes und vor allem der guten Gemischhomogenitaet sowie vermutlich modifizierter NO-Bildungsmechanismen ergeben sich bei Gasbetrieb bedeutende Stickoxidemissionsverringerungen gegenueber Benzin-und Dieselbetrieb.Im Spaltgasbetrieb wird auch das niedrige Kohlenwasserstoffemissionsniveau des Dieselmotors erreicht. Ein weiterer gravierender Vorteil des Otto-Spaltgasmotors liegt in der gegenueber dem Otto-Benzinmotor wesentlich niedrigeren Emission von 5 mittels Duennschichtchromatographie ermittelten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) im Abgas, wovon drei seit langem als karzinogen eingestuft werden. Der Wirkungsgradvorsprung des Dieselmotors gegenueber dem verbrauchsoptimierten Benzin-Magermotor betraegt durchschnittlich 6 Prozent. Bei Uebergang von Otto-Benzin- bzw.-Erdgasbetrieb auf Otto-Spaltgasbetrieb vermindert sich der Gesamtwirkungsgrad entsprechend dem Energieverbrauch.
Das Projekt "Modellierung von DeNOx-Katalysatoren - Teilprojekt 2: Simulation des katalytischen DeNOx bei Magermotoren unter Verwendung detaillierter Modelle fuer Reaktion und Transport" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen, Abteilung Technische Simulation durchgeführt. Bei Magerkonzepten zur Verbrauchsreduzierung von Ottomotoren sind Dreiweg-Katalysatoren nicht einsetzbar, da die Verbrennung bei hohen Luftverhaeltnissen stattfindet, bei welchen praktisch keine NOx-Reduktion am Katalysator mehr erfolgt. Auf Grund des hohen Sauerstoffgehaltes des Abgases gelingt es zwar relativ leicht, unververbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu oxidieren, eine effektive NOx-Konversion laesst sich dagegen nicht ohne weiteres realisieren. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Modells zur Simulation der katalytischen Abgasbehandlung bei diesem Luftueberschuss unter Verwendung von detaillierten Reaktionsmechanismen zur Beschreibung der Oberflaechenreaktion und eines Multikomponententransportmodells zur Beschreibung der Grenzschicht ueber dem Katalysator. Ein solch physikalisch und chemisch fundierter Ansatz, der eine quantitative Beschreibung der geschwindigkeitsbestimmenden Schritte bei der Katalyse erlaubt, hat den prediktiven Charakter, wie er fuer eine erfolgversprechende Behandlung des DeNOx bei mageren Bedingungen gebraucht wird. Empirisch ermittelte globale Ansaetze dagegen muessen sich aufgrund ihres lediglich deskriptiven Charakters immer auf die Wiedergabe des experimentellen Materials beschraenken.
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