Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bildung feiner und ultrafeiner Partikel in Ottomotoren unter transienten Betriebszuständen und Wege zur Reduktion dieser Partikelemissionen

Aufgrund der zunehmend stringenten Partikelemissionsreglementierung für Ottomotoren ist die Einführung eines Ottopartikelfilters (OPF) im Gespräch. Um eine systematische Auslegung des Filters und die Entwicklung optimaler Regenerationsstrategien zu ermöglichen, sind jedoch tiefe Kenntnisse der ottomotorischen Partikelbildung, speziell in emissionskritischen Zuständen des Aggregats, notwendig. Die Partikelentstehung im transienten Motorbetrieb als eine der Partikelhauptquellen ist jedoch kaum erforscht. Gleichzeitig sollen zukünftige Emissionsrichtlinien auf Basis sogenannter RDE-Fahrten, die zu großen Teilen transiente Lastsprünge enthalten, getestet werden. Hier soll der vorliegende Antrag ansetzen und offene Detailfragestellungen beantworten, die für ein umfassendes Verständnis der Partikelbildung im transienten ottomotorischen Betrieb zu klären sind.

Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben bündelt die Expertisen der Institute VKM (TU Darmstadt) und IFKM (Karlsruher Institut für Technologie) und sieht eine enge Vernetzung der Arbeitspaketinhalte beider Institute vor. Die Arbeitspakete gliedern sich wie folgt: Zunächst werden anhand ausgewählter RDE-Fahrten emissionskritische Lastsprünge identifiziert und an den Engine-in-the-Loop-Prüfständen beider Institute implementiert. Die Untersuchung der Partikelbildung geschieht mit Hilfe optischer Messtechnik, konventioneller Abgasmesstechnik und hochfrequenter Aufzeichnung des emittierten Partikelemissionsspektrums (<23 nm). Im weiteren Verlauf werden dann verschiedene Faktoren wie Luftverhältnis, AGR, Aufladestrategeien, wasserhaltige/sauerstoffhaltige Kraftstoffe und Brennraumtemperaturquereinflüsse beleuchtet. All diese Messungen fließen in ein phänomenologisches Partikelentstehungsmodell, das abschließend validiert wird. Die Projektlaufzeit beträgt 24 Monate.

Die Anwendung dieser wissenschaftl. Basis wird es den KMUs ermöglichen, gezielter Entwicklungen im Bereich der Partikelreduktion und -detektierung zu betreiben.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurden verschiedene Fahrsituationen im Hinblick auf die Partikelentstehung untersucht und analysiert. Hierzu wurde ein dynamischer Prüfzyklus verwendet, der aus Realfahrten partikelkritische Events abbildet. Es wurden verschiedene, einfach zu messende Parameter evaluiert, mit welchen ein polynomisches Partikelmodell aufgebaut werden kann. Mit diesem Modellansatz ist es möglich, für beliebige DI – Ottomotoren, ein valides Partikelmodell zu erstellen. Der Modellansatz zeigt bei den verwendeten Motoren gute Ergebnisse und ist auf verschiedene Testzyklen anwendbar. Weiterhin ist für bauähnliche Motoren ein Übertrag möglich, um qualitative Partikelereignisse zu erkennen. Durch diesen Modellansatz kann bereits in frühen Stadien der Motorenentwicklung eine Aussage über die Partikelemissionen getroffen werden. Weiterhin kann, durch den in diesem Forschungsvorhaben gelegter Grundbaustein, ein weiterführendes, allgemeingültiges Partikelmodell entwickelt werden.