Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der Ascheeinlagerung und –migration in Wandstromfiltern

Downsizing mit Aufladung hat sich als Schlüsseltechnologie zur Erfüllung der CO2- und Emissionslimitierungen herauskristallisiert. Durch die effizientere Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie hat sich die Abgasturboaufladung gegenüber anderen Verfahren durchsetzen können. Bei Straßenfahrzeugen kommt hierbei ausschließlich die Stoßaufladung zum Einsatz, die durch den motorischen Betrieb zu pulsierenden Randbedingungen am Turbineneintritt und am Verdichteraustritt führt. Die Ermittlung der thermodynamischen Eigenschaften von Abgasturboladern basiert jedoch in der Regel auf Kennfeldmessungen auf stationären Heißgasprüfständen. Dies geht im Besonderen beim Einsatz innerhalb der Motorprozesssimulation mit einem erhöhten Aufbereitungsaufwand einher, um eine quantitative Bewertung ermöglichen zu können. Erschwerend kommt der Unterschied in der Pumpgrenzenlage am Motoren- und ATL-Prüfstand hinzu.

Um eine frühzeitige Bewertung eines Turboladers noch vor Verfügbarkeit des realen Motors ermöglichen zu können, wird eine HiL-Umgebung auf einem ATL-Prüfstand aufgebaut. Der konventionelle ATL-Prüfstand wird hierbei um einen Pulsator vor dem Turbineneintritt und eine Pulsator- Drosselkombination am Verdichteraustritt erweitert, wodurch eine pulsierende Untersuchung des Turboladers ermöglicht wird. Für eine Untersuchung des ATLs unter motorähnlichen Randbedingungen wird des Weiteren ein echtzeitfähiges Motormodell in die Prüfstandsumgebung integriert, über das die Ansteuerung der pulserzeugenden Komponenten erfolgt. Die HiL-Umgebung ermöglicht damit eine direkte Beurteilung der Interaktion aus Turbolader und Motor und kann zur frühzeitigen Optimierung im Entwicklungsprozess eingesetzt werden. Im Besonderen bei dynamischen Lastsprüngen eines Motors spielt die effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Abgasenergie eine entscheidende Rolle, so dass abschließend dynamische Stichversuche mit der aufgebauten Prüfstandsumgebung erfolgen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des experimentellen Teils des Projektes zeigen sich als Haupteinflussparameter auf die Aschebewegung vor allem die Regenerationstemperatur, die Art der Regeneration und die Strömungsgeschwindigkeit. Eine möglichst heiße, diskontinuierliche Regeneration bei hoher Strömungsgeschwindigkeit, der eine kontinuierliche passive Regeneration oberhalb des Balance-Points vorangegangen ist, erzeugt den Ergebnissen zufolge tendenziell einen dichten Aschestopfen am Kanalende, welcher die Aschespeicherfähigkeit des DPFs erhöht. Es werden darüber hinaus Hinweise dafür identifiziert, dass sich auch bei reiner kontinuierlicher Regeneration eine Ablösung der Asche von der Wand umsetzen lassen kann.

Im Rahmen des simulativen Teils dieses Projektes werden mehrere Modelle zur Beschreibung der Interaktion volumetrisch aufgelöster Partikel und zu deren Oxidation entwickelt. Durch die erstmalige Entwicklung einer Methode, welche auf der Zerlegung der STL-Geometrie in Segmenten von Halbräumen basiert kann der zeitliche Anspruch an die Rechnung immens reduziert werden. Die entwickelten Modelle sind im Stande, das Transportverhalten von Materie in einem durchströmten DPF-Kanal abzubilden und dabei auch den Einfluss der Temperatur auf das Transportverhalten abzubilden.

Die Berechnungen aus diesem Modell liefern eine vereinfachte Methode zur Auslegung zukünftiger Partikelfilter. Als Erkenntnisgewinn lässt sich die Auswirkung der beeinflussbaren Größen auf Veraschung und Aschemigration und somit auf die Optimierungsgrößen verzeichnen. Ferner lassen sich durch Methoden zur Schnellveraschung, Aschesubstitute und numerische Simulationen beeinflussbare Größen schneller auf ein Optimum hin abschätzen mit dem Potential zur Kostenreduzierung während der Entwicklungsphase von Abgasfiltersystemen, bei Prüfstandsläufen und im Betrieb beim Endkunden.