Experimentelle Untersuchung von Nachoxidationseffekten am homogen betriebenen Erdgasmotor mit Direkteinblasung

Seit der Erfindung des Automobils gegen Ende des 19. Jahrhunderts stellen Ottomotoren bis heute die weltweit dominierende Antriebsart für PKW dar. Währenddessen hat das stetig steigende Mobilitätsbedürfnis der Menschen den weltweiten Kraftfahrzeugbestand auf mittlerweile über 1 Milliarde registrierte Fahrzeuge anwachsen lassen. [1] Die aus Umweltaspekten notwendige, stetige Verschärfung der Emissionsgrenzwerte rückt in der Konsequenz die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs- und Schadstoffemissionsverhaltens beim Entwicklungsprozess von modernen Fahrzeugantrieben mehr den je in den Mittelpunkt.

Die Antriebe der derzeit am Markt verfügbaren erdgasbetriebenen PKW stellen, anders als im Nutzfahrzeugsegment, herstellerübergreifend zumeist Ableitungen aus dem bestehenden Benzin-Motorenportfolio dar. Aufgrund der regional unterschiedlich ausgeprägten räumlichen Dichte des öffentlichen CNG-Tankstellennetzes werden die Antriebe außerdem überwiegend in einer bivalenten Ausführung (wahlweiser Betrieb mit CNG oder Benzin – „Bi-Fuel“) angeboten, um die Fahrzeuge auch in Regionen mit schlechter CNG-Verfügbarkeit zuverlässig betanken und betreiben zu können. Die nachfolgende Abbildung 2.1 zeigt dazu das Package eines modernen bivalenten Erdgasantriebs am Beispiel des aktuellen Audi A4 Avant 40 g-tron (Modellpflege ab 10/2018).

Um eine stöchiometrische Nachoxidationsreaktion herbeiführen zu können, müssen in der Abgasstrecke zwischen den Auslassventilen und der Turbine die nachfolgenden thermodynamischen- und strömungsmechanischen Voraussetzungen, bzw.

Nach der Inbetriebnahme des Motors am Motorenprüfstand und Applikation des Funktionsumfangs für den Benzin- und CNG-Betrieb wird zunächst das grundsätzliche motorische Verhalten in den gewählten Konfigurationen gegenüberstellend untersucht. Neben der Betrachtung von mechanischen und thermodynamischen Kenngrößen wird im Hinblick auf die Untersuchung der Nachoxidation auf das Abgasverhalten ein besonderes Augenmerk gelegt.

Wie die Ergebnisse der Messreihen zeigen, ermöglicht es der vorgestellte Versuchsaufbau durch den Freischnitt der Luftstrecke, Nachoxidation am aufgeladenen Ottomotor mit den Kraftstoffen Benzin und CNG am Motorenprüfstand darstellen und experimentell nachweisen zu können. Als besondere, essentielle Entwicklungen sind im Kontext der Arbeit neben dem neuartigen Versuchsaufbau und der Methode selbst, der Aufbau des CNG-Direkteinblassystems für den bestehenden Grundmotor, die Entwicklung des Prototyp-Krümmers zur Darstellung der Nachoxidation, der Aufbau des Luftpfadmodells zur korrekten Erfassung der Luftmassenströme, sowie das präzise Lambda-Regelsystem aufzuführen. Zusätzlich sind die Gewährleistung eines ausreichenden Spülluftmassenstroms (durch Kombination einer langen Ventilüberschneidungsphase mit starker Aufladung), sowie die Umsetzung einer darauf angepassten Applikation des Motors (frei programmierbare Motorsteuerung, Aufbau und Applikation des Funktionsumfangs bzgl. sämtlicher Anpassungen am Gemischaufbereitungs- und Zündsystem) als weitere essentielle Komponenten im Aufgabenspektrum der Arbeit zu bemerken.