Im Rahmen eines Forschungsvorhabens zur rationellen Verringerung der Schadstoffemission wurde ein das 'Magerkonzept' realisierender Einzylinder-Ottomotor (Epsilon=13) mit Benzin bzw. Erdgas als Kraftstoff untersucht. Die Ergebnisse wurden mit dem auf Dieselbetrieb (Epsilon=20) mit direkter Einspritzung rueckgeruesteten Motor verglichen. Ein Vergleich der Betriebsarten zeigt die Ueberlegenheit des Gasmotors gegenueber dem Benzin- und Dieselmotor im Hinblick auf die NO2- und CO-Emission. Die erhoehte CH-Emission im Abgas des Erdgasmotors ist in Anbetracht der niedrigen Toxizitaet der Kohlenwasserstoffe von untergeordneter Bedeutung. Ein Vergleich der effektiven Wirkungsgrade ergibt fuer den Dieselmotor den hoechsten Wert. Abgasverbessernde Massnahmen, wie spaetere Zuendung im Ottobetrieb bzw. spaeterer Foerderbeginn im Dieselbetrieb einerseits sowie gesteuerte Abgasrueckfuehrung andererseits, ergeben bezueglich der problematischen Stickoxidemission gravierende Verminderungen. Auch hinsichtlich der CH-Emission sind die Verbesserungen bedeutsam. Diese Verbesserung der Schadstoffemission wird durch einen geringfuegigen Anstieg des spezifischen Brennstoffwaermeverbrauchs (maximal 2 v.H.) erkauft. Die Vermutung, dass die Toxizitaet der emittierten Kohlenwasserstoffe im Gasbetrieb erheblich geringer ist als bei Benzin- oder Dieselbetrieb, konnte durch Bestimmung der Menge an benzolloeslichen Produkten im Abgas bestaetigt werden. Das Hauptproblem des Dieselbetriebs ist die vergleichsweise sehr hohe Particulare-Matter-Emission.
Im Rahmen der Abgasentgiftung heutiger Kraftfahrzeugmotoren wurde ein Otto/Diesel-Hybridmotor mit vergleichsweise geringer Schadstoffemission entwickelt. Die Berechnung der Waermeentwicklung im Motor und die Analyse von Gasproben aus der Verbrennungszone ermoeglichten einen Einblick in die Zusammenhaenge zwischen Energieumsatz und Schadstoffbildung. Die gute Abgasqualitaet des Verfahrens wird durch eine zweistufige Verbrennung in Verbindung mit einer Kombination aus Ladungsschichtung und Fremdzuendung hervorgerufen. Ausserdem kann durch Massnahmen wie Ansaugluftdrosselung, Wassereinspritzung, Abgasrueckfuehrung und katalytische Abgasreinigung das Abgas zusaetzlich entscheidend verbessert werden. Das Verfahren besitzt eine weitgehende Oktanzahlunempfindlichkeit, so dass darueberhinaus durch eine geeignete Kraftstoffauswahl eine Abgasentgiftung moeglich wird. Straigt-Run-Benzin ist dabei ein besonders attraktiver Kraftstoff, da bei seiner Verbrennung wesentlich weniger (50 v.H.) unverbrannte bzw. teiloxidierte Kohlenwasserstoffe im Abgas enthalten sind und aufgrund seines niedrigeren Aromatengehaltes auch die Emission kanzerogener Kohlenwasserstoffe stark verringert sein duerfte. Ausserdem ist es gegenueber Superbenzin wegen der einfacheren Herstellung und der besseren Rohoelausnutzung wesentlich preisguenstiger. Als naechstes Ziel wird durch Verbesserung der Gemischaufbereitung und durch Steuerung des Verbrennungsablaufs fuer den Betrieb mit Straight-Run-Benzin eine weitere Absenkung der Schadstoffemission, insbesondere der Emission kanzerogener Kohlenwasserstoffe, angestrebt.
Der Wirkungsgrad von Dieselmotoren ist wegen des thermodynamisch guenstigeren Arbeitsprozesses besser als jener von Ottomotoren. Darueberhinaus erfolgt die Verbrennung des Kraftstoffes wesentlich schadstoffaermer, abgesehen vom nachstoechiometrischen Bereich, in dem das Dieselverfahren zur Russbildung neigt. Ersetzt man die eingespritzte Dieselkraftstoffmenge weitgehend durch der Ansaugluft beigemischtes Brenngas - der Dieselkraftstoff dient dann nur noch zur Zuendung des Gemischs -, so kann die Feststoffemission und damit auch die Emission biologisch aktiver bzw. krebserregender benzolloeslicher Substanzen stark vermindert werden. Einer verfahrensbedingt hoeheren Emission unverbrannter Abgaskomponenten kann durch verschiedene motorische Massnahmen, wie Drosselung der Ansaugluft, Gemischvorwaermung, partielle Rueckfuehrung gekuehlter bzw. besser ungekuehlter Abgase begegnet werden. Die Gaszugabe ermoeglicht eine verstaerkte Abgasrueckfuehrung und so eine weitergehende Verminderung der Stickoxidemission. Im obersten Lastbereich kann die Verschiebung der Russgrenze zur Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung genutzt werden. Das Gesamtkonzept dieses Verfahrens bezieht in seiner letzten Phase die Installation eines Vergasungsreaktors direkt am Motor ein mit dem Ziel, fuer mobile Zwecke aus fluessigen Kraftstoffen direkt das notwendige Brenngas herzustellen.
Um zukünftige Emissionsziele hinsichtlich der Reduzierung von CO2- und Schadstoffemissionen zu erreichen, sind Niedertemperatur-Brennverfahren für den dieselmotorischen Betrieb äußerst vielversprechend, da sie thermodynamische Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades besitzen und Emissionsvorteile bei Stickoxiden und Ruß realisieren können. Gleichzeitig sind diese Brennverfahren aber deutlich schwieriger zu kontrollieren, da kein unmittelbarer Einfluss auf den Beginn der Verbrennung möglich ist. Zur Nutzung des hohen Potentials bedingen daher die fehlende direkte Kontrolle, eine höhere Neigung zu Instabilität und eine bisher noch nicht erfolgreiche Ausweitung zu höheren Lasten eine intensive Forschung in diesem Bereich. Im Fokus dieses Teilprojekts steht die konsequente Weiterentwicklung des Premixed Charge Compression Ignition (PCCI)-Dieselbrennverfahrens unter Verwendung optimierungsbasierter Regelung. Herkömmliche zyklusintegrale Regelgrößen, wie Mitteldruck und Verbrennungsschwerpunkt, erscheinen für die hier verfolgten Ziele nicht ausreichend und es wird die Hypothese verfolgt, dass die Regelung des vollständigen Brennverlaufs einen stabilen, effizienten und emissionsarmen Betrieb gewährleisten kann. Hierzu werden die Einspritzung und der Brennverlauf als (quasi-)kontinuierliche Stell- und Regelgrößen eingeführt. Ein gewünschter Brennverlauf wird dann mittels optimierungsbasierter Regelung der vollvariablen Einspritzung gestaltet. Die Regelung erfolgt dabei zunächst von Zyklus zu Zyklus, längerfristig wird aber auch eine Multiskalenregelung durch eine zusätzliche innerzyklische Regelkomponente betrachtet. Hieraus ergeben sich zunächst drei Herausforderungen: Eine quantitative Beschreibung der Wirkkette Einspritzung - Brennverlauf - Performance, eine geeignete Parametrisierung der Brennfunktion sowie die Identifikation konkreter zeitvariabler Stellgrößen und darauf basierend die Entwicklung einer variablen Einspritzstrategie. Letztere wird notwendig, um eine dynamische und effektive Aktuierung auch mit einem für die Regelung verkleinerten Parameterraum zu erreichen. Zunächst werden die Einflüsse der Einspritzparameter auf charakteristische Punkte des Brennverlaufs mittels Design of Experiments systematisch quantifiziert. Gleichzeitig werden der Zusammenhang zwischen Brennfunktion und den wichtigen Parametern der Performance, wie zum Beispiel Wirkungsgrad und Emissionen, quantitativ charakterisiert. Zur Erstellung reduzierter physikalisch basierter Modelle werden CFD-Simulationen und Mehrzonenmodelle eingesetzt, mit deren Hilfe Zusammenhänge identifiziert und erklärt sowie Korrelationen oder physikalische Beziehungen abgeleitet werden können. Arbeiten zur detaillierten Kinetik und der Rußbildung werden in Zusammenarbeit mit TP5 durchgeführt. Die Validierung der Regelkonzepte erfolgt einerseits in Kooperation mit TP3 und TP1 durch Model-in-the-Loop-Simulationen und schließlich am Motorprüfstand in Zusammenarbeit mit TP1.
Vergleich einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion bei einem Direkteinspritzmotor hinsichtlich Leistung und Emissionen. Bei energiegleichen Einspritzmengen (gleicher Dieselverbrauch) zeigen sich keine nennenswerten Leistungsunterschiede. Die Zuendwilligkeit (Cetanzahl) sinkt bei der Emulsion von CZ=44 bei Dieselkraftstoff auf CZ=34 ab. Beim Direkteinspritzmotor ergeben sich mit der Emulsion: - geringere NOx-Emissionen, - hoehere HC-Emissionen, - etwa gleichbleibende CO-Emissionen. Bei einem PKW mit Wirbelkammermotor ergeben sich beim Abgastest: - geringfuegig hoehere CO-Emissionen, - wesentlich hoehere HC-Emissionen, - keine signifikante Aenderung der NOx-Emission. Bezueglich des Kraftstoffverbrauches ergeben sich keine Unterschiede. Das Kaltstart- und Warmlaufverhalten ist mit der Emulsion wesentlich schlechter.
Auf Grundlage neuartiger Simulationsansätze und umfangreicher experimenteller Untersuchungen an einem 1-Zylinder Forschungsmotor werden im Rahmen des hier beantragten Verbundprojektes die Auswirkungen und Potenziale eines variablen effektiven Verdichtungsverhältnisses auf Basis flexibler Ventilsteuerzeiten (extensiver Miller-Zyklus) in Kombination mit Hochaufladung, Ladeluftkühlung und variabler Zündung untersucht. Unter Einbeziehung und Erweiterung zylinderdruckbasierter Regelungsstrategien können damit adaptive Verbrennungskonzepte entwickelt werden, die eine optimale Betriebsweise eines Motors bei unterschiedlichen Brenngasen und Umgebungsbedingungen zulassen. Das entwickelte Konzept soll es ermöglichen, mit ein und derselben Motorenkonfiguration sowohl Erdgas als auch LPG effizient und schadstoffarm motorisch umzusetzen. Die Abgaswerte und Wirkungsgrade in Serie befindlicher Motoren für die jeweiligen Brenngase sollen dabei im Versuchsbetrieb nachweislich unter- bzw. überboten werden. Das Projekt besitzt eine hohe Relevanz für zukünftige effiziente und emissionsarme Motorengenerationen sowie eine Beschleunigung der dazugehörigen Entwicklungsprozesse.
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
| Organisation | Count |
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| Bund | 146 |
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| Förderprogramm | 146 |
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