Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung des Inhomogenitätsgrades und der Rohemissionsbildung im verbrannten Gemisch bei homogenen und insbesondere homogen-mageren Ottomotoren

Aufgrund des großen Wirkungsgradsteigerungspotenzials sind homogen-magere Ottobrennverfahren als Technologie für 2025+ verstärkt in der Betrachtung. Hierbei spielt die verlässliche Vorhersage der Rohemissionen eine essenzielle Rolle. Aufgrund der häufigen Motorstarts mit potentiell ausgekühlter Abgasnachbehandlung nehmen auch bei stark hybridisierten stöchiometrischen Konzepten die Rohemissionen an Bedeutung zu.

Die NO-Bildung im Ottomotor hängt insbesondere bei Luftüberschuss stark vom Homogenisierungsgrad im Verbrannten ab. Die CO-Emissionen werden ebenfalls von der lokalen Temperatur beeinflusst. Das Hauptziel ist daher das im Vorgängervorhaben entwickelte Inhomogenitätsmodell für die unverbrannte Masse auf die verbrannten Bereiche zu erweitern und somit die exakte NO- und CO-Rohemissionsvorhersage zu ermöglichen. Hierbei sind auch die zyklischen Schwankungen der Inhomogenitäten abzubilden sowie die NO- und CO-Bildungsmechanismen genau zu beschreiben.

Eine industrielle Umsetzung ist durch standardisierte Tools und das Bereitstellen eines lauffähigen Programms (FVV-Zylindermodul) sowie umfangreicher Dokumentation mit begleitender Einführungsschulung schnell und mit geringem finanziellem Aufwand möglich. KMU als Entwicklungsdienstleister, Zulieferer von Systemkomponenten sowie Anbieter von Simulations- und Analysesoftware profitieren von den Forschungsergebnissen in besonderem Maße, da sie die entwickelten Modelle mit geringem Aufwand integrieren, unmittelbar nutzen und so ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit steigern können.

Als Transfermaßnahmen stellen zudem die Veröffentlichung von Dissertationen und des Abschlussberichts, die Verwendung der Ergebnisse in Lehre und Weiterbildung, Vorträge und Präsentationen sowie ein möglicher Personaltransfer in die Industrie auch nach Abschluss des Vorhabens den langfristigen Nutzen der Projektergebnisse sicher.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war die Verbesserung der NO- und CO-Emissionsvorhersage in der 0D/1D-Simulation unter Berücksichtigung von Gemischinhomogenitäten. Ausgangspunkt war eine umfangreiche Messkampagne an einem Einzylinder-Forschungsmotor. Es zeigte sich ein unterschiedliches NO- und CO-Bildungsverhalten bei stöchiometrischem und magerem Betrieb in Bezug auf Gemischinhomogenitäten. Im stöchiometrischen Fall führt ein hoher Inhomogenitätsgrad zu einer Minderung der NO-Emissionen und zu einem deutlichen Anstieg der CO-Emissionen. Im mageren Betrieb hingegen kommt es durch Gemischinhomogenitäten zu einer Zunahme an NO. Auf die CO Emissionen scheinen Inhomogenitäten bei magerem Betrieb keine signifikanten Auswirkungen zu haben.

Um bei der Emissionsberechnung die lokalen Kraftstoff- und Temperaturinhomogenitäten berücksichtigen zu können wurde ein Inhomogenitätsmodell für das verbrannte Abgas im Brennraum entwickelt. Detaillierte 3D-CFD Simulationen zeigen, dass die Kraftstoffinhomogenitäten über die Brenndauer als konstant angenommen werden können. Das im Vorgängerprojekt entwickelte Homogenisierungsmodell liefert die Standardabweichung des Luft-Kraftstoffverhältnisses. Dadurch kann die Verteilung des Kraftstoffs mit einer Normalverteilung definiert werden. Aus der Kraftstoffverteilung lässt sich über den Zusammenhang mit der adiabaten Flammentemperatur die zugehörige Temperaturverteilung bestimmen. Auf Basis dieser Verteilung erfolgen die Berechnung der NO- und CO-Emissionen. Durch diesen Ansatz können die Trends aus der Messung reproduziert werden. Durch das Inhomogenitätsmodell wird die Emissionsvorhersage verbessert. Damit ist eine effizientere Auslegung von Motor- und Abgassystemen möglich.