Experten-Forum Powertrain: Ladungswechsel und Emissionierung 2020

Vor dem Hintergrund sich weiter verschärfender Verbrauchs- und Emissionsnormen stellen sich neue Herausforderungen an die Kraftstoffzumessgenauigkeit von Einspritzsystemen. Für Ottomotoren mit Benzin-Direkteinspritzung sind Einspritzventile mit Solenoidantrieb wegen ihrer kostengünstigen Fertigungsweise weit verbreitet. Für diesen Injektortyp werden neue Regel- und Diagnosekonzepte auf Basis des Raildrucksignals untersucht, welche die Zumessung der eingespritzten Kraftstoffmasse verbessern.

Grundlage für die Diagnose ist der physikalische Zusammenhang zwischen eingespritzter Kraftstoffmasse und dadurch hervorgerufenem Druckeinbruch im Rail. Mittels Kerndichteschätzung und Frequenzanalyse werden Druckeinbruch und hydraulische Eigenfrequenz aus dem Raildrucksignal bestimmt, womit eine Korrelation zur am Einspritzsystemprüfstand gemessenen, zyklusaufgelösten Einspritzmenge über weite Druck- und Temperaturrandbedingungen ermöglicht wird.

Eine Anwendungsmöglichkeit der gezeigten Methode ist die Kompensation von Durchflussunterschieden zwischen in einem Motor verbauten Injektoren, die sich beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Düsenverkokung über die Injektorlebensdauer einstellen können. Dafür wird der Durchfluss im linearen Arbeitsbereich des Einspritzventils diagnostiziert und in der Vorsteuerung der elektrischen Ansteuerdauer berücksichtigt.

Das gezeigte Verfahren verzichtet auf hardwareseitige Änderungen des hydraulischen Systems und benötigt lediglich einen hochauflösenden Raildrucksensor. Damit lassen sich zudem neue Entwicklungs- und Applikationswerkzeuge realisieren. Am Beispiel eines Betriebspunkts niedriger Last wird die Verbrennungsstabilität und damit Laufruhe des Motors in Abhängigkeit der eingespritzten Kraftstoffmasse untersucht. Die zyklusgenaue Auflösung ermöglicht Einblicke in den Verbrennungsvorgang, welche die Zylinderdruckindizierung ergänzen.

Vor dem Hintergrund der RDE Gesetzgebung wird in den kommenden Jahren für Benzinmotoren ein kennfeldweiter, stöchiometrischer Motorbetrieb angestrebt. Für einen Betrieb mit Lambda = 1 bei höheren Lasten und Drehzahlen ist aber unter anderem die maximal auftretende und ertragbare Temperatur am Auslassventil eine typische Limitierung. Hier wird gegenwärtig noch zum „Bauteilschutz“ bei höheren Lasten und Drehzahlen eine Anfettung des Gemisches eingesetzt, um die maximale Abgastemperatur zu begrenzen und eine thermische Überbelastung der Auslassventile zu vermeiden. Integrierte, gekühlte Abgaskrümmer senken die thermischen Belastungen des Abgasturboladers und der Abgasnachbehandlung, die Auslassventile werden dabei aber weiterhin hoch belastet. Wechselwirkungen in und außerhalb des Motorventilsystems und Maßnahmen zur Begrenzung der thermischen Belastung werden in diesem Beitrag diskutiert. Dazu werden Komponenten mit verbessertem Wärmetransport vorgestellt und mit neuen Beschichtungstechnologien zukunftssichere Wege zu einer robusten Systemlösung aufgezeigt.

Die gekühlte Abgasrückführung (AGR) stellt beim aufgeladenen Ottomotor eine effektive Technologie zur Reduzierung von Klopfneigung, Wandwärmeverlusten und der Abgastemperatur dar. Während jedoch der Einsatz der Hochdruck-AGR in Folge der Druckverhältnisse zwischen Abgas- und Einlasssystem im Motorkennfeld eingeschränkt ist, limitiert bei der Niederdruck-AGR der Transientbetrieb die maximale AGR-Rate. Weitere Herausforderungen für den Einsatz der Niederdruck-AGR ergeben sich durch die zusätzliche Verdichterleistung, das Risiko von Versottung der Ansaugstrecke und die Gefahr von Tropfenschlag am Verdichterlaufrad.

Vor diesem Hintergrund hat FEV eine hubventilgesteuerte Hochdruck-AGR („FEV BEAT – Broadened EGR Application Technology“) entwickelt, bei der das Abgas vor Turbine lediglich im Bereich des Vorauslassstoßes entnommen wird. Dadurch wird der Anwendungsbereich der HD-AGR im Motorkennfeld deutlich erweitert. In dieser Veröffentlichung werden zunächst das Funktionsprinzip des neuen Verfahrens im Detail sowie die Optimierung des Ventilhubprofils vorgestellt. Nachfolgend wird das thermodynamische Potential anhand von Ladungswechselsimulationen an konventionellen 3- und 4-Zylinder Turbomotoren analysiert und mit der konventionellen Nieder- und Hochdruck-AGR Technologie verglichen. Abschließend erfolgt der Übertrag auf ein hochverdichtetes Mild-Hybrid Motorkonzept, in dem die Kombination aus ND-AGR und BEAT eine weitergehende Effizienzsteigerung ermöglicht.

Hydrogen fuel, which can be produced from biomass or renewable power, like solar and wind, is regarded as one of the key energy solutions for CO₂ reduction in the future transportation. The model-based development approach is widely used from early concept phase until detailed component design and finally in series development and virtual field-testing. In the concept phase, using model-based development can help to optimize both engine thermodynamics and hardware design. The hydrogen combustion system development, including charge motion and port design as well as optimization of air-fuel ratio considering fuel economy and exhaust after-treatment (EAT) system can be well performed using model-based approach.

The focus of this paper is demonstration and discussion on model-based development approach for hydrogen combustion system optimization for heavy-duty commercial vehicle combustion engine. Starting from future emission regulation roadmap, the requirements on combustion system EAT and the NO_x reduction are defined and used for engine and EAT development.

The main advantage of the hydrogen fuel having the wide range of flammability and very high flame speed numbers compared to other fossil fuels, can be well used for better fuel efficiency and to reduce the NO_x emissions. Potential of lean-burn hydrogen combustion for NO_x reduction is shown and discussed using heavy-duty 2. L single-cylinder research engine with testing at multiple engine speeds and loads.

As the next step, the 1D engine model is setup and calibrated for hydrogen combustion modeling. Heat transfer, combustion and emission model are developed and calibrated using single cylinder engine measurements.

Using the validated 1D engine model, the potentials and challenges, as well as requirements on combustion and emissions for future HD engine concepts are defined and discussed. The obtained results from combustion system simulation are then used as input parameters for exhaust gas after-treatment system development. The effects of a lean hydrogen combustion, i.e. the lower exhaust gas temperature and their impact on exhaust gas after-treatment system efficiency to fulfill the future regulations are evaluated using numerical simulation. Based on the investigation results, recommendations on hydrogen combustion system for heavy-duty commercial vehicle applications and an outlook on future concepts are presented.

Die anstehenden Emissionsgesetze sowie die aktuellen globalen Maßnahmen zu stärkeren Emissionskontrollen und der Reduzierung von CO2-Emissionen unter Berücksichtigung realer Fahrszenarien und Betriebsbedingungen erfordern sofortiges und sorgfältiges Handeln bei der Planung zukunftssicherer Antriebsstränge.

Neben dem idealistischen Ausblick auf batterieelektrische Fahrzeuge aus grüner Energie, für den großen Teil der Antriebsstränge mit Verbrennungsmotoren wird die Hybridisierung, d.h. die Elektrifizierung, die wichtige Brücke sein, um eine effektive Reduzierung von CO2- und Schadstoffemissionen zu gewährleisten.

Mit der Präsenz einer hybrid-elektrischen Infrastruktur kommt der synergetische Einsatz anderer neuer elektrischer Systeme wie elektrisch beheizte Katalysatoren oder elektrifizierte Boostsysteme in die Machbarkeit, um die Leistung für den Fahrer sowie für die Umwelt für das kommende sogenannte EURO7-Szenario zu maximieren.

Schritt für Schritt wurde der Weg zu niedrigen oder niedrigsten Emissionen von AVL mit Hilfe von Simulations- und Messwerkzeugen bewertet.

AVL bietet eine Reihe von Simulationsservices an, die clevere Simulationswerkzeuge nutzen, um in das hybride Systemlayout einzusteigen und dabei den Motor und das Nachbehandlungssystem frühzeitig im Entwicklungsprozess sowohl auf Vor- als auch auf Konzeptebene zu berücksichtigen. Für ein C-Segment Hybrid-"virtuelles" SUV werden Erkenntnisse zur Identifikation von Motor- und Emissionsnachbehandlungskonzepten und Betriebsstrategien zur sicheren Erreichung von EURO7 unter erweiterten Real-Driving-Bedingungen erarbeitet.

Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs bietet gewisse Vorteile bei der Erfüllung der Emissionsanforderungen bei gleichzeitiger Leistungsfähigkeit bei guten Kostenabwägungen. Es lassen sich viele Ansätze verfolgen, um ein Antriebsstrangkonzept zu definieren, das den gesetzlichen Anforderungen entspricht. Diese Ansätze und die jeweiligen Kostenabzweigungen werden schematisch durch Simulationen dargestellt.

Environmental-friendliness has become a dominant driver for the development towards real driving emission (RDE)-compliant powertrains. Upcoming emission legislations, like Euro 7 or China 7, may pose further challenges, such that the question arises how they can be addressed. Ultimately, a combustion engine with zero environmental impact could be the target, causing lower pollutant emissions than the pollutant already contained in the ambient air, effectively cleaning the inner-city air.

An exhaust aftertreatment system for a 2.0 l turbocharged Gasoline direct injection engine enabling Zero Impact emissions is identified using a real driving emission simulation approach and measurements of novel exhaust gas aftertreatment systems. The results indicate that substantial further emission reductions towards the Zero Impact goal are attainable. NOX emissions in WLTC can be reduced by 99.9 % compared to today's legislative Euro 6d requirements. As a result of electrical pre-heating of the exhaust aftertreatment system, the fuel consumption increases by 5.3 %. Under wider real driving conditions like cold temperatures, higher dynamic driving or short distance urban cycles, the emissions increase slightly, but stay much lower than the actual vehicle fleet. The exhaust aftertreatment system is realized as a prototype and first validation measurements are performed. The knowledge gained throughout the investigations can be used to tailor exhaust aftertreatment system for Euro 7 requirements with less fuel consumption drawback.

Die Anforderungen der ottomotorischen Abgasgesetzgebung wurden mit Einführung von EU6AG/BG/DG und EU6AP um die Erfüllung der Emissionsgrenzwerte bei realer Straßenfahrt (RDE) unter kundenrelevanten Umgebungsbedingungen ergänzt. Infolgedessen sind bereits heute alle Ottomotoren der Audi AG im Markt Europa (EU27 und Anwenderstaaten) mit Ottopartikelfiltern (OPF) ausgerüstet, welche die Feinstaubemissionen deutlich verringern. Die Feinstaubemission wird in der Gesetzgebung über die Vorgabe eines Grenzwertes für die Anzahl der emittierten Partikel reguliert, abgekürzt mit PN (Particel Number)

Darüber hinaus ist es sinnvoll, das Rohemissionsniveau bzgl. Feinstaub kontinuierlich weiter abzusenken. Die konsequente Weiterentwicklung beider Bausteine - innermotorische PN-Maßnahmen und effiziente Abgasnachbehandlung - führt dazu, die weltweit geltenden Gesetzgebungen zu erfüllen sowie unternehmerische Aspekte wie Nachhaltigkeit und Kundenzufriedenheit zu verbessern.

Es wird aufgezeigt, welche Maßnahmen zur PN-Reduktion speziell in der Motorfamilie EA888 evo4 (R4 2.0l TFSI) mit Markteinführung 2020 zum Einsatz kommen. Der EA888 evo4 deckt als „global engine“ das Leistungsspektrum 110-245kW ab und wird weltweit in nahezu allen Marken und Plattformen im PKW-Segment des VW-Konzerns angeboten. Daraus ergibt sich eine große Anzahl von emissionsrelevanten Anforderungen wie z.B. die Einhaltung der jeweiligen Partikelgrenzwerte PN (Partikelanzahl) & PM (Partikelmasse) unter der Berücksichtigung von Umwelteinflüssen – kalten/heißen Temperaturen, Luftdruck in höherliegenden Gebieten – und der Berücksichtigung lokal verfügbarer Kraftstoffqualitäten. Bei der AUDI AG werden deshalb über die gesetzlich vorgeschriebenen Homologationstests hinaus zusätzliche Beurteilungskriterien auf Basis von Straßen- und Rollentests herangezogen. Dies führt zu einer einheitlichen Absicherung des Entwicklungsprozesses und der eingesetzten Technik innerhalb des Unternehmens.

Die für PN-Emissionen relevanten innermotorischen Maßnahmen am EA888 evo4 sind die Erhöhung des Kraftstoffdrucks auf 350bar, die Weiterentwicklung der Hochdruckeinspritzventile sowie in bestimmten Leistungsklassen Anpassungen an Brennraum und Einlasskanal. Es wurden Möglichkeiten geschaffen, die Parameter der Hochdruckeinspritzung in Abhängigkeit verschiedenster Motorbetriebsbereiche zu optimieren. Einer der Schwerpunkte wurde dabei auf den noch kalten Motor unmittelbar nach dem Erststart gelegt. Die Abhängigkeiten der PN-Rohemissionswerte von wichtigen Einflussparametern wie Motortemperatur und Kraftstoff werden erläutert, zusätzlich werden weitere Einflussfaktoren wie Fahrzeugmasse, Kabinenheizung etc. beschrieben.

Zusätzlich zu den innermotorischen PN-Maßnahmen wurde der EA888 evo4 mit einem in der Filtrationseffizienz (FE) deutlich verbesserten OPF ausgestattet. Es handelt sich bereits um die zweite im EA888 in Serie befindliche Entwicklungsstufe seit Einführung des Systems im Jahr 2017. Das weiterentwickelte Abgasnachbehandlungssystem beinhaltet weiterhin eine funktionale Trennung gasförmiger und fester Emissionen für eine gezielte Optimierung der Komponenten 3-Wege-Katalysator und OPF.

Gegenüber der ersten OPF-Generation konnten FE-Steigerungen im deutlich zweistelligen Bereich (Prozentpunkte) erzielt werden. Diese Wirkungsgradsteigerung geht mit einer hinsichtlich des Druckverlusts optimierten Auslegung des OPF einher, so dass die Leistungs- und Drehmomentwerte des Aggregats zur Sicherstellung der Wettbewerbsfähigkeit beibehalten werden können.

Zur Erfüllung zukünftiger Emissionsziele müssen Ottomotoren bei Nennleistung mit stöchiometrischer Verbrennung, d.h. ohne Kraftstoffanreicherung, und damit bei erhöhten Abgastemperaturen betrieben werden. Bei Anwendung aktueller Turbinentechnologien und -materialien und unter Einhaltung der zulässigen maximalen Materialtemperaturen in der Turbinenstufe eines Abgasturboladers wird somit die darstellbare stöchiometrische Motornennleistung bei Ottomotoren limitiert.

In der vorliegenden Arbeit wird die Untersuchung einer neuartigen Turbinenstufe mit variabler Eintrittsgeometrie und wassergekühltem Turbinengehäuse hinsichtlich ihres Potentials zur Erhöhung der stöchiometrischen Nennleistung vorgestellt. Durch die Kühlung des Abgasstroms bis zum Eintritt in die Leitschaufelgeometrie werden die kritischen Bauteiltemperaturen significant reduziert. Die Absenkung der Materialtemperaturen wird anhand von gekoppelten Strömungs- und Wärmeleitsimulationen ausgelegt und nachgewiesen. Die Beurteilung der Aussagekraft der Simulationsergebnisse sowie der thermodynamischen Leistungsfähigkeit der Turbomaschine erfolgt anhand von Temperatur- und Kennfeldmessdaten, die auf dem Brennkammerprüfstand ermittelt wurden.

Das Potential des Turboladers mit wassergekühltem Turbinengehäuse zur Erhöhung der stöchiometrischen Nennleistung wird in einem Motorversuch bewertet. Durch eine applikationsspezifische Auslegung der Thermodynamik der Turbomaschine sowie die Anpassung des Wärmeaustrags an die Anforderungen des Kühlsystems wird eine Optimierung der Motorziele in Richtung maximales Drehmoment und maximale stöchiometrische Nennleistung erreicht.

Mittels umfassender Simulationsergebnisse und detaillierter Messdaten aus Brennkammer- und Motorversuchen wird dem Leser ein tiefgreifender Einblick in die Funktionsweise und die Leistungsfähigkeit der Turbinentechnologie mit wassergekühltem Turbinengehäuse gewährt. Aufgrund des hohen Potentials dieser Technologie zur Steigerung der stöchiometrischen Nennleistung ist sie, insbesondere aufgrund der zunehmend strikteren Abgasgesetzgebung, von großem, allgemeinem Interesse.

Die Optimierung des Anpassungsprozesses des Abgasturboladers auf den Verbrennungsmotor wird zunehmend durch den Einsatz von eindimensionalen numerischen Simulationsmodellen unterstützt. Um die Vorhersagegüte der Motorprozesssimulation zu verbessern, müssen sowohl die Verbrennungsmodellierung als auch die Abgasturbolader–Simulationsmethodik optimiert werden. Hierzu wird in dieser Veröffentlichung ein Ansatz vorgestellt, welcher die Kombination einer datenbasierten Beschreibung des Hochdruck–Motorprozesses und des Emissionsverhaltens mit einer erweiterten physikalischen Ladungswechsel–Simulationsmethodik beinhaltet.

In diesem Beitrag wird der datenbasierte Ansatz der Hochdruckprozess–Modellierung und Rohemissionsvorhersage sowie die Datengenerierung am Einzylinder–Forschungsaggregat durch eine umfangreiche Parametervariation von Ladungswechselgrößen und emissionsbeeinflussenden Motorparametern im gesamten Motorkennfeld vorgestellt. Des Weiteren gibt die vorliegende Veröffentlichung einen umfassenden Einblick in die Bausteine der erweiterten Abgasturbolader–Simulationsmethodik. Diesbezüglich werden Ergebnisse einer Separation von Wärmeströmen und Reibung aus den konventionell am Heißgasprüfstand vermessenen Wirkungsgradkennfelder präsentiert. Zusätzlich zeigt der Beitrag Resultate einer mathematisch unterstützten physikalischen Extrapolation der Turbinencharakteristik über den gesamten Betriebsbereich der Turbine. Die erweiterte Abgasturbolader– Simulationsmethodik wird durch ein Wärmestrommodell der Abgasturbolader–Hardware sowie durch ein ATL–Reibleistungsmodell vervollständigt.

Die nachfolgende Validierung der kombinierten Simulationsmethodik zeigt die hohe Güte des angewendeten datenbasierten Ansatzes zur Verbrennungsmodellierung bezüglich der NOx–Emissionsvorhersage in stationären sowie in transienten Simulationsrechnungen. Der in der Verbrennungsmodellierung integrierte Algorithmus zur Rekonstruktion des Zylinderdruckverlaufs ermöglicht eine genaue Vorhersage des Enthalpieangebots vor Turbine unter Berücksichtigung der Zielwerte für den indizierten Mitteldruck des Hochdruckprozesses. Die im Anschluss daran durchgeführten stationären und transienten Simulationsrechnungen der hier neu kombinierten und abgestimmten Simulationsmethodik illustrieren eindrücklich, dass die beschriebene Methodik die Vorhersagegüte des thermischen Abgasturbolader–Verhaltens gegenüber der konventionellen Motorprozesssimulation signifikant verbessert, ohne die wesentlichen Betriebskenngrößen des Motors zu beeinflussen.

Dementsprechend kann die kombinierte Simulationsmethodik als ein geeignetes Werkzeug in der Simulationskette dienen, um die Simulationsmethoden rund um die Powertrain– Entwicklung zu optimieren.

Bei der Entwicklung des 1,0l TSI evo für das A0/A-Fahrzeugsegment wurde der Schwerpunkt auf die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß gelegt. Ziel war es dabei, den Motor im gesamten Kennfeldbereich im Miller-Zyklus zu betreiben. Die damit einhergehende konstruktive Änderung des Verdichtungsverhältnisses erforderte eine Anpassung der Brennraumberandungskühlung zur Brennverfahrensoptimierung. Im Wesentlichen konnte damit eine Vergleichmäßigung der Berandungstemperaturen zur Vermeidung von Hotspots, aber auch eine gezielte Temperierung der Brennraumoberflächen erreicht werden.

Um den Kolbenboden als untere Brennraumbegrenzung möglichst gleichmäßig zu temperieren und dadurch auch die Stegspiele in einem engeren Arbeitsbereich halten zu können, wurden ein Kühlkanalkolben und eine entsprechende Applikation mit dem Ziel entwickelt, dessen Ölversorgung möglichst unabhängig vom Öldruck, Last und Drehzahl des Motors zu realisieren.

Die Umsetzung der Steuerung erfolgt mittels einer separaten, elektrisch schaltbaren Ölgalerie, die die Kolbenkühldüsen druckverlustminimiert ansteuert. Über die elektrische Ansteuerung kann die Kolbenkühlung nicht nur individuell geschaltet, sondern auch getaktet werden. Damit wird eine Feinmodellierung des mittleren Volumenstroms unabhängiger vom Öldruck möglich.

Durch simulationsgestützte Entwicklung und umfangreiche Motorversuche im Abgleich entstanden Kennfelder zur Abbildung der Ansteuerung der Kolbenkühldüsen (An, Aus, Taktung). Der Verzicht auf eine druckgesteuerte Schaltung der Kolbenkühldüsen reduziert gleichzeitig den Gesamtöldruckverlust auf der Versorgungsseite. Speziell bei niedrigen Motordrehzahlen und damit auch im Eckmoment kann so eine optimale Kühlung der Kolben gewährleistet und der Grenzbetrieb nahe an oder in der thermischen Überdeckung vermieden werden.

In der Forschung und Entwicklung moderner Ottomotoren wird die Wasserdirekteinspritzung nicht ausschließlich zur Steigerung des Wirkungsgrades bei Volllast durch die Absenkung der Abgastemperatur zur Verhinderung der Kraftstoffanreicherung betrachtet, auch im „Low-End-Torque“ werden Untersuchungen hinsichtlich der Wirksamkeit zur Wirkungsgradoptimierung durch Klopfminderung durchgeführt. Das in den Brennraum eingebrachte Wasser bewirkt eine Abkühlung der Zylinderladung vor dem Zündzeitpunkt und damit eine Verringerung der Klopfneigung. Der hier untersuchte Lastpunkt liegt bei 2000 min-1 und 20 bar pmi und stellt gleichzeitig die kritischste Betriebsbedingung des Motors auf dem Prüfstand bezüglich des Klopfbeginns dar. Die durch die hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers realisierte Regelung der Ladungstemperatur wirkt sich vorteilhaft auf das Motorverhalten aus, da sie die Kraftstoffverdampfung, die Gemischbildung und deren Homogenisierung maßgeblich beeinflusst. Aus diesem Grund ist das Ziel der aktuellen Untersuchungen die Wechselwirkungen zwischen der Kraftstoff- und Wasserverdampfung vor dem Zündzeitpunkt und der relativen Veränderung durch den einsetzenden Verbrennungsvorgang zu optimieren. Basierend auf den Daten eines Einzylinder-Motorprüfstandes mit direkter Wassereinspritzung wird das Strömungsfeld mit dem am IFS/FKFS entwickelten 3D-CFD-Tool QuickSim untersucht, das den Vergleich der Gemischbildung ohne Wassereinspritzung mit der Gemischbildung modifizierter Wassereinspritzstrategien ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen eine Veränderung der Kraftstoffverdampfung in Abhängigkeit von der angewandten Wassereinspritzstrategie. Infolgedessen hängt die Klopffestigkeit stark von den Wechselwirkungen zwischen der Kraftstoff- und Wasserverdampfung ab. Mit der hier untersuchten Strategie zur Wasserdirekteinspritzung kann aufgrund der Turbulenzerhöhung die Gemischqualität verbessert werden und stellt daher ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Klopffestigkeit und Steigerung des Motorwirkungsgrades dar.