Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Partiell vorgemischte Dieselbrennverfahren mit Mehrfacheinspritzungen

Die Weiterentwicklung der Dieselbrennverfahren, mit dem Ziel der Auflösung des Zielkonflikts zwischen Ruß und Stickoxidemissionen, bedarf diversifizierter Parameterstudien. Die hohe Anzahl an Kombinationsmöglichkeiten erfordert zwingend den Einsatz von 0D-Verbrennungsmodellen während der Konzeptphase der Entwicklung, um finanzielle Mittel und Prüfstandskapazität effizient einsetzen zu können. Dies ist vor allem für KMU von strategischer Bedeutung.

Das Brennverfahren mit dem höchsten Potential, bei gleichzeitig hoher Praxisrelevanz, ist das PCCI-(partially pre-mixed compression ignition)-Verfahren. Bei diesem besteht jedoch ein erhebliches Defizit in der Zündverzugs-Modellierung, was zu fehlerhaft berechneten Brennverläufen und demzufolge zu nicht verwendbaren Abschätzungen bzgl. Emissionstrends führt. Ursache ist die Überlagerung von überwiegend chemischem Zündverzug der Voreinspritzungen und physikalisch-dominiertem Zündverzug der Haupteinspritzung, was in bisherigen Modellen nur unzureichend diskretisiert wird.

Zur Lösung dieser Problemstellung soll im beantragten Vorhaben ein Modell zur kombinierten physikalisch-chemischer Zündverzugsberechnung erstellt werden. Hierzu wird am IVK ein 1-Zylinder-Forschungsmotor, ausgestattet mit einem aktuellen Common-Rail-Einspritzsystem, aufgebaut. Mittels statistischer Versuchsplanung wird eine Parameterstudie im PCCI-Betrieb durchgeführt. Die gewonnene Datenbasis dient der Parametrierung eines ganzheitlichen 0D-Zündverzugsmodells. In die Modellerstellung werden die Erkenntnisse aus den beiden Vorgängerprojekten einbezogen. Danach soll das Zündverzugsmodell in das existierende FVV-Zylindermodul integriert und validiert werden.

Parallel wird in Kooperation mit dem LAV (ETH Zürich) ein PCCI-Zündverzugsmodell für die 3D-CFD Simulation erstellt. In die Parametrierung des 3D-Modells fließen neben den motorischen Messungen am IVK die am LAV durchgeführten Sprayvermessungen und Versuche an einem Einhubtriebwerk ein.

Ergebniszusammenfassung:

Im vorliegenden Projekt wurde ein partiell vorgemischtes Dieselbrennverfahren auf seine Anwendbarkeit, die innermotorische Schadstoffreduktion sowie den Zusammenhang von Einspritzung auf den Zündverzug untersucht. Ziel war es, mit bekannter Einspritztechnik und bekannter Motorgeometrie dem Trade-Off von Ruß- und Stickoxidemissionen zu begegnen. Verschiedene Einspritzmuster - zu denen unter anderem der Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmenge und der Einspritzdruck gehören - wurden hinsichtlich Ihrer Wirkung auf die Verbrennung untersucht und bewertet. Die Anwendbarkeit im konventionellen Dieselmotor (geometrisch ausgelegt für eine konventionelle Einspritzung um den oberen Totpunkt) konnte nachgewiesen werden, wobei steigender Kraftstoffverbrauch (erhöhte Kohlendioxid-Emissionen) und erhöhter Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie Kohlenmonoxid einen signifikanten Nachteil für eine Serienanwendung darstellen. Konstruktive Maßnahmen zur besseren Aufbereitung der teilvorgemischten Phase könnten diesen Nachteil entgegen konventioneller Verbrennung reduzieren oder auflösen.

Folgende Ergebnisse wurden im Projekt erzielt:

- Teilvorgemischte Dieselverbrennung im konventionellen Dieselmotor

- Nachweis zur Reduktion der Stickoxide aufgrund der Niedertemperaturverbrennung

- Mehrfacheinspritzung (bis zu drei Voreinspritzungen) zur Optimierung der Gemischaufbereitung

- Parametervariation (Drehzahl, Last, Externe Abgasrückführung, Einlasstemperatur, Einlass- & Auslassdruck, Kraftstoffdruck, etc.) zur Parametrisierung des Modells

- Variation der Einspritzung (Zeitpunkt, Anzahl, Menge)

- Aufbau eines empirischen Zündverzugsmodell anhand eines dreistufigen Arrhenius-Ansatzes

- Abstimmung des Zündverzugsmodells für die Nieder- und Hochtemperaturzündung mit oben genannten Messungen

- Erfolgreiche Anwendung weiterer Messdaten zur Validierung des Zündverzugsmodells

- Vergleich von konventioneller zu teilvorgemischter Verbrennung hinsichtlich Wirkungsgrad und Emission