Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

CFD-Partikelemissionsanalyse des hochtransienten Motorverhaltens

Zukünftig wird die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten von Fahrzeugen auch im hochtransienten Realbetrieb (Real Driving Emissions – RDE) und nicht wie bisher ausschließlich im Rollenversuch überprüft. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, RDE-relevantes transientes Motorverhalten und die hierbei beobachtbaren Emissionsspitzen zu untersuchen und in einer kombinierten experimentell-numerischen Wirkkettenanalyse deren motorische Ursachen zu bestimmen. Zusätzlich zu Partikeln werden gasförmige Schadstoffrohemissionen im Hinblick auf die aktuelle (NOx) und zukünftige (CO) RDE-Gesetzgebung betrachtet.

Messungen am hochdynamischen und vollinstrumentierten Motorprüfstand werden mit 0D/1D und 3D-Multi-Zyklen-CFD Simulationen kombiniert, die als diagnostisches Werkzeug erstmalig für die Analyse der transienten Schadstoffbildung in direkteinspritzenden Ottomotoren eingesetzt werden. Im Vorhaben werden Methoden und Analysewerkzeuge entwickelt, die eine Zuordnung von motorischen Basisereignissen zur Schadstoffbildung damit die Ursachenforschung ermöglichen.

Die hier entwickelten 3D-CFD und 0D/1D Simulationsmethoden sowie die Bereitstellung von hochdynamischen Prüfstandsdaten sind von nachhaltigem Nutzen für KMUs. Im Bereich der Simulation können KMUs die Methoden und Daten gezielt für sich nutzbar machen und Ihre Kompetenzen erweitern. In Workshops werden die Referenzdaten zusammen mit den KMUs analysiert, so dass industriell einsetzbare Toolketten gezielt erweitert und verbessert werden können. Ähnlich gilt dies für KMUs im Bereich der hochspezialisierten Mess- und Prüfstandstechnik, z.B. Motoren/Einspritzkammern mit optischem Zugang. Hier sind häufig Ingenieurbüros und andere kleine Unternehmen als Hersteller und Dienstleister tätig. Die Bereitstellung von Informationen und Modellen zur Analyse kritischer Emissionsspitzen ermöglicht die zuverlässige Auslegung von Versuchsträgern und die Entwicklung von Messsystemen.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Vorhaben wurden erfolgreich hochdynamische Prüfstandsmessungen mit 3D-CFD Multizyklensimulationen verknüpft, um eine Analyse der Emissionsbildungsmechanismen im hochtransienten Motorbetrieb zu ermöglichen.

Die kombinierte experimentell-numerische Methode wurde an einer exemplarischen Lasttransiente einer realen RDE Fahrt angewendet, um die Ursachen-Wirkungskette von erhöhten Partikelemissionen zu identifizieren und Optimierungspotentiale der Motorbetriebsgrößen aufzudecken. Es konnten eine Reihe von unterschiedlichen Mechanismen entlang der Transienten identifiziert werden. Daraus abgeleitete Anpassungen an der Motorsteuerung zur Beeinflussung der beobachteten Mechanismen wurden experimentell und numerisch angewendet und hinsichtlich ihres Reduktionspotentials evaluiert. Die durch die kombinierte Methode identifizierten Anpassungen konnten die Gesamtpartikelemissionen für den betrachteten Anwendungsfall erfolgreich reduzieren.

Im Rahmen des Vorhabens konnte damit das Potential der entwickelten kombinierten Methode aus Experiment und Simulation zur detaillierten Analyse von Emissionen im transienten Motorbetrieb demonstriert werden.