Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Quasidimensionale Modellierung der HC- und CO-Bildung am Dieselmotor

In diesem Forschungsvorhaben soll ein phänomenologischer 0D/1D-Ansatz erarbeitet werden, welcher die Emissionen an unverbrannten und teiloxidierten Kohlenwasserstoffen sowie Kohlenstoffmonoxid für Dieselmotoren modellieren kann. Ziel ist hierbei nicht nur die Vorhersage des Niveaus der HC/CO-Emissionen in stationären Betriebszuständen, z.B. im Bereich des Eckdrehmoments bei niedrigen Drehzahlen aufgrund von niedrigen Luftverhältnissen, sondern auch für transiente Bedingungen, bei denen zusätzlich beispielsweise unterschiedliche Brennraumwandtemperaturen berücksichtigt werden müssen.

Derartige Vorhersagen sind nicht nur für die Abgasnachbehandlung interessant, z.B. während der Regeneration von Dieselpartikelfiltern oder NOx-Speicherkatalysatoren, sondern auch für die Erfüllung der hohen Genauigkeitsanforderungen an die Kraftstoffverbrauchsvorhersage mittels Simulation relevant. Hierbei darf der Energiegehalt der HC/CO-Emissionen nicht mehr vernachlässigt werden. Auch mit Blick auf Real Driving Emissions (RDE) und die geplanten zugehörigen Emissionsvorschriften ist ein HC/CO-Modell für die 0D/1D-Simulation äußerst wertvoll. Spätestens wenn die Vorschriften im Rahmen der RDE CO- oder HC-Emissionen reglementieren, wird sich eine starke Nachfrage nach einem geeigneten Modell ergeben, da sich die entsprechenden Herausforderungen ohne Simulation nur schwerlich bewältigen lassen.

Dieses Vorhaben ist somit mittelfristig gesehen sowohl von wissenschaftlicher als auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da die Ergebnisse gezielt in die Motorenvorauslegung sowie in die Entwicklung von Systemkomponenten, Simulationssoftware, Entwicklungswerkzeugen und Motorsteuersystemen bei KMU einfließen. Zusätzlich kann dem Vorhaben ein Beitrag zur Erfüllung gesetzlicher Auflagen hinsichtlich der HC- und CO-Emissionen, zur CO2-Reduktion sowie zum Erreichen gesellschaftlicher Ziele wie einer nachhaltigeren Mobilität und eines reduzierten anthropogenen Klimaeinflusses attestiert werden.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wird ein phänomenologischer 0D/1D-Ansatz erarbeitet um die innermotorische Bildung der

Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid für Dieselmotoren zu simulieren. Das

neu entwickelte Modell ist aus zweierlei Hinsicht von Bedeutung: Zum einen sind die Ergebnisse des Modells der

HC- und CO-Bildung für die Emissionsvorhersage und darüber hinaus auch für die Abgasnachbehandlung und

den Regenerationsbetrieb des Dieselmotors von Interesse. Zum anderen stecken in den HC- und CO-Emissionen

ein Teil der Kraftstoffenergie, weshalb sie für eine präzise Vorhersage des Wirkungsgrades und damit auch des

Kraftstoffverbrauches relevant sind. Für eine genaue Vorhersage der HC- und CO-Emissionen ist es notwendig

die, bei der dieselmotorischen Verbrennung auftretenden, Inhomogenitäten abzubilden. Eine Literaturrecherche

sowie eine Untersuchung von Prüfstandsmessungen wurde durchgeführt, um die wichtigsten Emissionsquellen zu

identifizieren. Die nachfolgend genannten Effekte sind hauptverantwortlich für die Emissionen und wurden folglich

modelliert: Während lokal unterstöchiometrische Bereiche nur für die CO-Emissionen relevant sind, spielen lokal

sehr magere Bereiche des Einspritzstrahls für HC- und CO-Emissionen eine Rolle. Kalte Bereiche in Nähe der

Brennraumwände werden für beide Emissionen mit einem Wandzonenmodell berücksichtigt. Kraftstoff, der nach

dem Ende der Einspritzung unter geringer Geschwindigkeit vom Injektor in den Brennraum gelangt und nicht

oxidiert, wird für das HC-Modell in einem weiteren Untermodell modelliert. In Kombination mit reduzierten

chemischen Reaktionsmechanismen lassen sich mit diesen modellierten Inhomogenitäten die HC- und

CO-Rohemissionen von Dieselmotoren vorhersagen.