Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wirkungsgradsteigerung von Diesel-Brennverfahren durch Beeinflussung des Wandwärmeübergangs

Ein wesentlicher Anteil der Energie in Verbrennungsmotoren geht als Wärmeverlust durch die Kühlung der einzelnen Bauteile in den Kühlkreislauf über. Das beantragte Forschungsprojekt behandelt die Entwicklung von Isolierungseigenschaften neuer Schichtsysteme an Brennräumen sowie deren Wechselwirkungen des wandnahen Wärmeübergangs mit dem Ziel der Wirkungsgradsteigerung an Dieselmotoren. Dafür sollen umfassende experimentelle und simulative Untersuchungen realisiert werden. Die Untersuchungen werden von 3 Forschungsstellen bearbeitet (TU Berlin; ETH Zürich; Fraunhofer IPK), wobei der vorgelegte Antrag nur den Umfang der TU Berlin betrifft, da die anderen Aufwendungen aus FVV-Eigenmitteln oder schweizer Forschungsmitteln zugesagt sind.

Zunächst werden Sensitivitätsanalysen zur Bestimmung der optimalen Eigenschaften der Isolierung durchgeführt. Parallel werden geeignete Werkstoffe und Beschichtungsverfahren ausgewählt. Dabei werden Testkörper beschichtet, die für experimentelle Untersuchungen bereitgestellt werden, wo der Wandwärmeüberganges für beschichtete und unbeschichtete Kolben in einer Hochdrucktemperaturzelle charakterisiert wird. Außerdem werden Berechnungsmethoden für den Wärmeübertragung entwickelt und angewendet. Für die Experimente werden beschichtete und unbeschichtete Kolben mit Thermoelementen ausgestattet. Schließlich wird ein Einzylindermotor mit einem optischen Zugang zum Kolben aufgebaut. Das thermodynamische Potential der Beschichtung wird an einem konventionellen und dem neuen optischen Einzylinderforschungsmotor untersucht.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens liefern Potentiale für Innovationen für kleinere und mittlere Unternehmen, die sich mit der Herstellung von Komponenten sowie der Berechnung und Beratung von Motorprozessen beschäftigen. Dies gilt vor allem, weil diese Unternehmen derartig aufwendige Untersuchungen selbst nicht durchführen können, weil sie keinen Zugriff auf Prüfstands- und Messtechnik sowie Prüflinge haben

Ergebniszusammenfassung:

Der Dieselmotor wird aller Voraussicht nach auch in Zukunft eine wichtige Rolle in der Mobilität spielen. Um zukünftige CO2-Ziele zu erreichen, muss der thermodynamische Wirkungsgrad jedoch weiter gesteigert werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Brennraumisolation: Simulationsstudien zeigen, dass bei optimaler Reduktion der Wärmeverluste noch deutliches Potential zur Wirkungsgradsteigerung und damit zur Reduktion der CO2-Emissionen im Betrieb vorhanden ist.

Im Rahmen des Forschungsprojekts "Brennraumisolierung Diesel" wurden daher die Auswirkungen von verschiedenen Kolbenbeschichtungen auf das dieselmotorische Brennverfahren untersucht. Dies erfolgte sowohl mit Hilfe von experimentellen Arbeiten an einer Hochtemperaturdruckzelle und einem Einzylinder-Forschungsmotor sowie durch 1D-CHT und 3D-CFD Simulationen.

Es zeigt sich, dass die Oberflächengüte der Beschichtung einen sehr großen Einfluss auf die erzielbaren Ergebnisse hat. Hauptaugenmerk muss auf eine möglichst glatte Beschichtung mit geschlossener Porosität gelegt werden. Diese, zur Erreichung einer niedrigen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit notwendige Porosität, muss zwingend mit einem geeigneten (möglichst temperaturstabilen) Sealer geschlossen werden.

Ebenso führt schon eine nur leicht erhöhte Rauigkeit der Beschichtung im Vergleich zum Serienbauteil zu deutlichen Nachteilen in der Gemischaufbereitung und im Wärmeübergang vom Arbeitsgas zur Brennraumwand. Die Folge ist eine Verschlechterung des Wirkungsgrades durch einen Anstieg der Wandwärme- und Verbrennungsverluste trotz vorteilhaften Materialeigenschaften der gewählten Beschichtung. Nachfolgende Versuche mit nahezu gleichgestellten Oberflächeneigenschaften haben gezeigt, dass sich durch die Wahl eines geeigneten Beschichtungsmaterials (YSZ) wirkungsgradvorteile ergeben können.

Um diese nutzbar zu machen, müssen im nächsten Schritt jedoch Fortschritte im Bereich der Fertigung erzielt werden.