Verbrennungssteuerung eines CNG-DI-Motors mittels Hochlast-Abgasrückführung

Abstract

Das Umweltbewusstsein breiter Bevölkerungsgruppen nimmt stetig zu und die Dringlichkeit des Handelns wird immer deutlicher. Der „green new deal“, die „Fridays for Future“-Bewegung und Umfragehochs von Umweltparteien sind nur einige Beispiele des Umdenkens. Auch der Verbrennungsmotor kann in diesem Szenario immer noch eine entscheidende Rolle spielen, denn der Hebel zur CO2-Reduzierung ist enorm, allein durch den Einsatz von Methan als Kraftstoff gegenüber Benzin. Kraftstoff aus regenerativer Erzeugung könnte sogar CO2-neutral genutzt werden. Diese Arbeit soll daher ihren Beitrag leisten, um die Effizienz und Attraktivität einer solch verlässlichen Technik durch eine ganzheitliche Betrachtung zu steigern. Ziel hierbei war es einen Serienmotor von Benzin zu einem direkteinblasenden Erdgasmotor umzubauen und eine externe Abgasrückführung (AGR) zur Verbrennungsformung in der Volllast zu untersuchen. Dazu wurde zuerst ein 0D/1D-Simulationsmodell mit prädiktiver Brennverlaufsberechnung für den Benzinbetrieb als Referenz aufgebaut und anhand von Messdaten validiert, wonach das Modell an den Erdgasbetrieb angepasst wurde. Der Fokus der Vorbetrachtungen lag auf dem Ladungswechsel, der Aufladegruppe und dem AGR-System. Zusätzlich wurden die Ergebnisse als Randbedingungen für eine 3D-CFD-Strömungssimulation des Ansaugtraktes inklusive der Abgaszuführung genutzt. Ziel war der Nachweis der Abgas-Gleichverteilung auf die Zylinder. Unter Beachtung des monovalenten, stöchiometrischen Betriebes mit Erdgas, den Voruntersuchungen sowie Untersuchungszielen wurden Modifikationen wie Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses auf 13:1 und die Installation der Hochdruck-AGR-Strecke am Versuchsträger vorgenommen. Besonderer Fokus während der Motorversuche lag auf dem Low-End-Torque und den Auswirkungen durch den Erdgas-Einsatz auf das Ladekonzept, dem High-End-Torque bei einem indizierten Mitteldruck von 22,5 bar und den Auswirkungen der AGR auf das Verbrennungsverhalten sowie bei reduzierter Last (16 bar indizierten Mitteldruck). Eine Lastreduzierung war nötig, da die Hinzugabe des Abgases eine Verschiebung der Verbrennungsschwerpunktlage in der Volllast erforderte, um die Spitzendruckgrenzen einzuhalten. Der niedrige Lastpunkt erlaubte hingegen eine gleichbleibende Verbrennungsschwerpunktlage über die steigenden Abgasrückführraten und ermöglichte so die Vergleichbarkeit und Übertragung der Ergebnisse auf Aggregate mit erweiterten Spitzendruckgrenzen. Grund dafür ist, dass der Einfluss der zusätzlichen Abgasmasse, bei hoher Last, auf den Zylinderdruck dominant gegenüber der Brennverlaufsformung und Temperatursenkung ist. Jedoch verschieben die niedrigeren Verbrennungstemperaturen das Trade-Off in Richtung geringerer NOx-Emissionen, reduzieren die Wandwärmeverluste und steigern so den indizierten Wirkungsgrad. Dem gegenüber sind die Folgen für das Aggregat bei plötzlichem Abgasrateneinbruch in der Hochlast äußerst kritisch zu sehen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass solche Lastzustände indirekt über eine Körperschallanalyse am Kurbelgehäuse ermittelt werden können, wobei eine grobe Abschätzung des mittleren Spitzendruckes möglich war. Um der erhöhten Light-Off-Temperatur von Methan im Katalysator Rechnung zu tragen, wurden Einblasbeginn, Steuerzeiten und Zündzeitpunkt-Variationen im Katalysator-Heizbetrieb untersucht. Schlussendlich wurde anhand der Motorergebnisse das erstellte 0D/1D-Simulationsmodell verifiziert und eine Längsdynamiksimulation durchgeführt. Die Simulation wies ein CO2-Einsparpotential des CNG-DI-Motors im Vergleich zum benzinbetriebenen Serienaggregat von 22 % aus.

The environmental awareness of broad sections of the population is steadily increasing and the urgency of acting is becoming apparent. The "green new deal", the "Fridays for Future" movement and polled highs of environmental parties are just a few examples for the new mindset. But still the internal combustion engine can play a crucial role in this scenario, because there is a massive, barely used lever of CO2-reduction by just using methane as a fuel compared to petrol. Fuel from renewable production could even be CO2-neutral. Therefore, this work is intended to make its contribution to increase the efficiency as well as the attractiveness of such a reliable technology by taking a holistic view. The aim here was to convert a petrol fueled series engine to a direct injected natural gas engine and investigate the influence to the combustion process of external exhaust gas recirculation (EGR) especially at full load. Therefore, a 0D/1D simulation model with a predictive combustion calculation for petrol operation as a reference was build and validated using measurement data. Afterwards the model was adapted to natural gas operation. The main focus of the preliminary considerations was on the gas exchange, the charge process and the EGR system. In addition, the results were used as boundary conditions for a 3D-CFD flow simulation of the intake manifold including the exhaust gas supply. The aim was to verify the equal distribution of exhaust gas between the cylinders. Considering the monovalent, stoichiometric operation with natural gas, the preliminary investigations as well as investigation objectives, modifications such as an increase of the compression ratio to 13:1 and the installation of a high-pressure EGR section on the test bench were carried out. A special focus during the engine tests was on the low-end-torque and the effects due to the use of natural gas on the charging concept, the high-end-torque at an indicated mean effective pressure of 22,5 bar and the effects of EGR on the combustion behavior as well as at a reduced load (16 bar indicated mean effective pressure). The load reduction was necessary because the additional exhaust gas required the centre of combustion to be retarded at full load in order to comply with the peak pressure limits. The lower load point, on the other hand, allowed the center of combustion to remain constant over the increasing exhaust gas recirculation rates, thus enabling the results to be compared and transferred to engines with extended peak pressure limits. The reason for this is that the influence of the additional exhaust gas mass at high load on the cylinder pressure is dominant over the combustion shaping and the temperature reduction. However, the lower combustion temperatures shift the trade-off towards lower NOx emissions, reduce wall heat losses and increase the indicated efficiency. In contrast to that the consequences for the engine are extremely critical if a sudden drop in exhaust gas rate at high load occures. In this work it was shown that such load conditions can be indirectly determined via a structure-borne noise analysis on the crankcase, whereby a rough estimate of the average peak pressure was possible. To take the increased light-off temperature of methane in the catalyst into account, the start of injection, overlapping as well as ignition timing in catalyst heating mode were investigated. Finally, the 0D/1D simulation model was verified on the basis of the engine results and a longitudinal dynamics simulation was carried out. The simulation showed a CO2 savings potential of 22 % for the CNG-DI engine compared to the petrol-powered engine.