Dissipation Elements at the Flame Surface in Methane Diffusion Flame (B. Hentschel and D. Denker)

Flame in Slotburner (S. Kruse)

Particle Charged Flow (E. Varea)

DNS of a scaled-up Diesel injector

Dissipation Element Analysis of Methane Diffusion Flame (D. Denker)

DNS of a scaled-up Diesel injector (M. Bode)

Quartz nozzle sampling in a methane counterflow flame (M. Baroncelli)

Oxyfuel coal combustion in a hot gas stream (D. Felsmann)

Motorprüfstand

Regelung der teilhomogenisierten Verbrennung im Dieselmotor durch variable Einspritzfolge

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines effizienten und schadstoffarmen dieselmotorischen Niedertemperatur-Brennverfahrens. Dabei soll das Brennverfahren im niedrigen Teillastbereich nahezu homogen arbeiten und im Volllastbereich auf die Erfahrung der konventionellen Dieselverbrennung zurückgreifen.

Das Niedertemperaturbrennverfahren PCCI (premixed charge compression ignition) ist für Dieselmotoren aufgrund seines enormen Potentials zur Reduktion der Abgasemissionen von großer Bedeutung. Es zeichnet sich durch moderate lokale Temperaturen und die Vermeidung lokal sehr fetter oder magerer Bereiche aus, so dass die Bildung insbesondere von Ruß (Soot) und NOx  deutlich reduziert wird. In Abbildung 1 ist das PCCI Brennverfahren im Vergleich zu anderen Verfahren dargestellt.

 

Abbildung 1: Einordnung des PCCI Brennverfahrens

Um sowohl im Teillast- als auch im Volllast-Bereich einen effizienten und emissionsarmen Betrieb zu gewährleisten, sind konstruktive und thermodynamische Optimierungen notwendig. Das Potential verschiedener  Kolbenmuldengeometrien und Einspritzkegelwinkel wurde bereits detailliert untersucht und kontinuierlich werden ausführliche thermodynamische Analysen durchgeführt, mit dem Ziel, die Schadstoffemissionen zu senken, ohne dabei den Motorwirkungsgrad zu reduzieren und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu erhöhen. 

Das Institut für Technische Verbrennung (ITV) entwickelt das Brennverfahren stetig weiter und erprobt es an einem modernen 4-Zylinder Dieselmotor mit Common Rail Direkteinspritzung, dessen Daten Tabelle 1 entnommen werden können. In Abbildung 2 ist der Motorenprüfstand des ITV darstellt.

Tabelle 1: Spezifikation des Versuchsträgers (1,9 l Dieselmotor)

Abbildung 2: Motorenprüfstand ITV

 

Am Motorprüfstand des ITV wird leistungsfähige Messtechnik zur Erfassung aller wichtigen Steuergrößen eingesetzt. So ist eine schnelle, dynamische Messung der AGR-Rate durch Auswertung der Lambdasondensignale im Einlass- und Auslassbereich möglich. Über schnelle Messsensoren werden zyklusaufgelöst unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) ermittelt. Die Proben für die Messungen werden hierbei direkt im Auslasskrümmer entnommen. Damit wird sichergestellt, dass die Messungen nahezu unverzögert und unverfälscht durchgeführt werden können. Die Bereitstellung der Messergebnisse im Millisekundenbereich ermöglicht eine echtzeitfähige Emissionsregelung. Weitere Emissionen können mit Hilfe stationärer, langsamerer Messtechnik ermittelt werden (Ruß, CO, CO2 u.a.).

Zusammen mit dem Institut für Regelungstechnik (IRT) werden am Motorprüfstand modellbasierte Regelungsverfahren umgesetzt und erforscht. Insgesamt hat sich eine kaskadierte Mehrgrößenregelung mit unterlagerter schneller Luftpfadregelung (10 ms) und einer überlagerten, langsameren Verbrennungsregelung (60 ms) als geeignet erwiesen. Es konnte bereits gezeigt werden, dass die Verbrennungsregelung mit einer Ein-Schritt-Optimalregelung möglich ist. Simulativ wurde das Potential einer prädiktiven Regelung mit globaler Optimierung und PWA-Modellen (piecewise afine) aufgezeigt. Zurzeit erfolgt die Umsetzung einer Modellgestützten Prädiktiven Emissionsregelung (MPR) und die Optimierung mittels quadratischer Programmierung. Abbildung 3 zeigt simulative Regelergebnisse einer umgesetzten MPR mit 3 Stellgrößen (SOI, FMI, AGR) und 3 Regelgrößen (CA50, IMEP, NOx). Hierbei beträgt der Stellhorizont Hu = 5 und der Prädiktionshorizont Hp = 30. Die vorgegebenen SOLL-Größen können gut eingeregelt werden. Die entsprechenden Verläufe der Stellgrößen unten in Abbildung 3 dargestellt. Die MIN- und MAX-Linien grenzen den im aktuellen Arbeitspunkt erreichbaren Bereich für die Stell- und Regelgrößen ein.


Abbildung 3:
 Regelergebnis des MIMO-Systems mit 3 Stellgrößen (SOI, FMI, AGR) und 3 Regelgrößen                      (CA50, IMEP, NOX)

 

Ergänzend zu der experimentellen Arbeit am Motorenprüfstand und der Entwicklung modellbasierter Regelungsverfahren werden numerische Berechnungen und Verbrennungsmodellierung am ITV durchgeführt. Dazu werden Modelle mit unterschiedlicher Komplexität simuliert. Einerseits werden CFD-Simulationen mit dem in-house RANS-Code AC-FluX durchgeführt, der mit dem RIF-Verbrennungsmodell gekoppelt ist. Dabei werden detaillierte Reaktionsmechanismen eingesetzt, um die chemischen Vorgänge des Dieselmotorprozesses möglichst realistisch wiedergeben zu können. Andererseits werden reduzierte Verbrennungsmodelle entwickelt, die auf Mehrzonenmodellierung basieren. Diese effizienten und genauen Modelle erlauben eine Kopplung mit Regelungsalgorithmen zur Etablierung einer modellprädiktiven Regelung des Dieselmotors.

In Abbildung 4 sind experimentelle und simulative Ergebnisse vergleichend für eine Variation der externen Abgasrückführrate dargestellt. Auf der linken Seite sind transiente Zylinderdruckkurven zu sehen, anhand derer das CFD Modell validiert werden kann. Im rechten Teil sind indizierter Mitteldruck und Verbrennungsschwerpunktlage für beide Modelle sowie das Experiment gezeigt, um das Prädiktionsverhalten des reduzierten Modells zu testen. Beide Modelle zeichnen sich durch eine sehr gute Wiedergabe des Motorverhaltens aus.

 

Abbildung 4: Vergleich experimenteller und numerischer Zylinderdruckkurven (oben) sowie der indizierte Mitteldruck (IMEP) aus Experiment, CFD und Mehrzonenmodell (MZM) (unten) für eine Variation der externen Abgasrückführrate (EGR)

 

Derzeit wird an den folgenden Zielen gearbeitet:

  • Einsatz von Kraftstoffen mit niedriger Cetanzahl hinsichtlich der Optimierung der Verbrennungsschwerpunktlage
  • Entwicklung einer Mehrfach-Einspritzstrategie für PCCI Brennverfahren
  • Erweiterung der Regelungsstrategie zur Minimierung der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs

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