Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Nachoxidation (HC, CO und Partikel) im Abgaskrümmer bei Ottomotoren

The introduction of increasingly dynamic drive cycles for passenger car type approval demands an improvement of the transient engine behaviour while simultaneously keeping the emissions to a minimum. Post-oxidation of rich combustion products in the exhaust manifold using scavenged air is a promising measure to reach this goal. Scavenging itself increases the mass flow through the turbine, thus reducing turbo lag, while reducing in-cylinder residual gas and decreasing combustion chamber temperature. This allows earlier spark timings, resulting in a more efficient combustion. Unfortunately, the excess air impedes the effective operation of the three way catalyst. By oxidizing the excess air with products of rich combustion, a stoichiometric air-to-fuel ratio can be achieved. Furthermore, the exhaust gas enthalpy is increased, further reducing the turbo lag, and the rich combustion decreases in-cylinder temperature, which reduces knock tendency.

An innovative target of this research project is to develop a post-oxidation model for 0D/1D engine simulation. To develop this model, a deeper understanding of the crucial mixing and oxidation process of scavenged air and rich combustion products is necessary. Therefore, 3D-CFD simulations including reaction kinetics in combination with test bed measurements will be performed. To reduce computation time, a reduced reaction mechanism which covers all important chemical processes for post-oxidation will be developed. Based on measurements, the post-oxidation model will be expanded to also cover processes within the turbine. Finally, the post-oxidation model will be used to investigate critical acceleration manoeuvres in RDE.

By publishing the project results on an international level, all SMEs are able to further elaborate on this subject, which underlines the pre-competitive character. By introducing new ideas of their own, SMEs can improve the applicability of post-oxidation, consequently strengthening their market position.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines Nachoxidationsmodells für die 0D/1D-Motorsimulation. Um dieses Modell zu entwickeln, ist ein tieferes Verständnis des entscheidenden Misch- und Oxidationsprozesses von Spülluft und fetten Verbrennungsprodukten erforderlich. Daher werden 3D-CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulationen, einschließlich Reaktionskinetik in Kombination mit Prüfstandsmessungen, durchgeführt. Um die Rechenzeit für dieses Projekt und alle nachfolgenden Untersuchungen zu verkürzen, wurde ein reduzierter Reaktionsmechanismus entwickelt, der alle wichtigen chemischen Prozesse für die Nachoxidation abdeckt. Es hat sich gezeigt, dass die Annahme eines reduzierten Reaktionsmechanismus realistisch ist und dass die Methodik für 3D-CFD Simulationen den notwendigen Einblick in das Phänomen ermöglicht hat. Ein Mapping der Nachoxidation bei verschiedenen Betriebsbedingungen und eine Sensitivitäts- analyse wurden durchgeführt.

Das entwickelte 1D-CFD Modell wurde mittels Daten aus 3D-CFD entwickelt und abgestimmt. Das 1D-CFD Modell hat gute Ergebnisse in dem ganzen Kennfeld des Motors geliefert. Dieses Modell wurde auch für die Simulation von RDE-Fahrten angewendet. Die Simulation hat gute Ergebnisse geliefert und weniger Zeit verbraucht.

Die erzielten Projektergebnisse tragen zum Verständnis der Wirkungsweise und zur Verbesserung der Simulation der Nachoxidation mittels Scavenging bei. Das entwickelte 1D-CFD Modell steht zur Verfügung für KMU und erlaubt die Simulation von RDE Zyklen. Es existieren viele KMU, die Abgasnachbehandlungssysteme für Motorherstellen zuliefern und deren Produkte von einer möglichen Nachoxidation direkt betroffen sind. Mit der Simulation können teure Prüfstandsversuche eingespart und auch direkt Erkenntnisse für RDE-Fahrten gewonnen werden. Eine gezielte und verbesserte Auslegung der Produkte ist für KMU somit möglich und Entwicklungskosten können eingespart werden.