Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wassereinspritzung am Dieselmotor

Die gleichzeitige Optimierung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen ist das Hauptziel moderner Motorenentwicklung. Beim Dieselmotor bietet die Wassereinspritzung eine interessante Möglichkeit zur Reduktion der NOx- und Rußemissionen, was bei anderen Verfahren zur NOx-Reduzierung stets kritisch ist (Ruß-NOx-Trade-off). Aktuell werden deshalb teure und komplexe Abgasnachbehandlungssysteme auf ein stationäres Rohemissionsverhalten abgestimmt.

Im Transientbetrieb ergeben sich jedoch deutlich schwierigere Randbedingungen. Die Emissionsspitzen aus solchen transienten Vorgängen machen zusammen mit dem Warmlauf einen großen Anteil an den gesamten Schadstoffemissionen aus.

Bei einer Wassereinspritzung wird die innermotorische Reduzierung der Stickoxide durch eine Temperaturreduzierung der Brennraumgase erreicht, allerdingt wirkt diese Maßnahme im Gegensatz zur AGR quasi instantan.

Zur tiefergehenden Erforschung sollen zuerst relevante Betriebspunkte anhand von 1D-Simulationen identifiziert werden. Ausgewählte Einspritzsysteme werden dann in einer 3D-CFD bewertet und an einem Einzylinderprüfstand eingesetzt.

Der Einfluss der Systeme auf die transienten Rohemissionen und das Zündverhalten kann so ermittelt werden. Auf Basis der Messdaten wird die Simulation evaluiert. Abschließend wird der Einfluss des erhöhten Wassereintrags auf die Abgasnachbehandlung und den Partikelausstoß bewertet. Besonders Fragen zur Bauteilbeeinflussung hinsichtlich des Wassereinflusses und die Bereitstellung spezieller Hardware wie Injektoren, Pumpen, etc. sind Arbeitsgebiete von klein- und mittelständischen Unternehmen, die die aufwendigen Untersuchungen alleine in der notwendigen Tiefe nicht leisten könnten. Das hier generierte Wissen ermöglicht es vor allem KMU Speziallösungen für die Automobile Anwendung zu entwickeln.

Des Weiteren werden Sensoren, Applikationsalgorithmen und Sonderlösungen von Komponenten benötigt, die häufig von KMU beigesteuert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war es den Einfluss von Wasser auf die Dieselverbrennung und Stickoxidbildung umfangreich zu untersuchen um mit ggfs. angepassten Simulationsmodellen mögliche Anwendungsszenarien der Wassereinspritzung im Realbetrieb darzustellen.

In einer Berechnung der Reaktionskinetik stellte sich heraus, dass vorhandenes Wasser auf den Zündverzug und die Stickoxidbildung in etwa die gleiche Wirkung hat wie zurückgeführtes Abgas, was auf einen Verdünnungseffekt hinweist. Insgesamt ist kein kinetisch relevanter Zusammenhang gefunden worden, der eine Anpassung der bisherigen Modelle bedingt. Der Einfluss niedrigerer Temperaturen, welcher durch die Verdampfung des Wassers relevant wird, besitzt die größten Auswirkungen auf Zündverzug und Stickoxidbildung. Im bestehenden Simulationsmodell wird dies aber bereits berücksichtigt.

Eine Druckverlaufsanalyse ergab, dass die Wassereinspritzung kaum Einfluss auf den motorischen Zündverzug hat, wobei eine teils große Verringerung der Stickoxide auftrat.

Nach Abstimmung eines 0D/1D Simulationsmodells, unterstützt von einer 3D-CFD Simulation, sind weitere Betrachtungen an einem Motorenmodell durchgeführt worden. Mit der Wassereinspritzung sind bei stationären Bedingungen Wirkungsgradverbesserungen von bis zu 3% und Stickoxideinsparungen von bis zu XX % festgestellt worden. Bei Lastsprüngen sind teilweise bis zu 90 % weniger Stickoxide entstanden. Im Rahmen von RDE-Simulationen sich herausgestellt, dass die Wassereinspritzung punktuell zu einer sehr hohen Verringerung der Stickoxidemissionen von fast 50 % führen kann. Eine Einspritzstrategie, welche den Ladedruck berücksichtigt, ergab Vorteile in der Wasserausnutzung im Vergleich zu einem rudimentär implementierten Rückgewinnungssystems. Die eingesetzten Wassermengen bewegen sich unterhalb von 250 ml für eine etwa zweistündige RDE-Fahrt. Insgesamt kann die Wassereinspritzung als unterstützendes System für reale Anwendung interessant sein.