Forschung & Technik 1-5 Lehre 5 VKA Intern 5 Events 5 Impressum 6

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1 Ausgabe 1/25 Newsletter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen Aachen Forschung & Technik 1-5 Lehre 5 VKA Intern 5 Events 5 Impressum 6 FORSCHUNG & TECHNIK Wasserstoff-Verbrennungsmotor Sowohl die Verknappung der weltweiten fossilen Energiereserven als auch die weiter ansteigende Zahl an Kraftfahrzeugen und damit zunehmende Umweltbelastung, machen die Suche nach möglichen und langfristigen Alternativen zum konventionellen benzin- oder dieselbetriebenen Verbrennungsmotor erforderlich. Wasserstoff als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren bietet dabei generell das Potential eines Betriebs frei von klimawirksamem Kohlendioxid als auch weitestgehend frei von Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen. Aufgrund von wasserstoffspezifischen Eigenschaften, wie der gegenüber Benzin 6 mal höheren laminaren Brenngeschwindigkeit und der extrem weiten Zündgrenzen, bietet die Entwicklung eines speziell auf den Kraftstoff Wasserstoff optimierten Brennverfahrens erhebliches Potential zur Wirkungsgradsteigerung und Emissionsminderung. Am Lehrstuhl wurden im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte Untersuchungen zu H 2 -Brennverfahren durchgeführt. Die im Folgenden beschriebenen Grundlagenuntersuchungen wurden auf einem ottomotorischen Basistriebwerk mit einem Pkw-typischen Zylinderhubvolumen von.5 l durchgeführt, Bild 1. Bild 2 zeigt für den Teillastbetriebspunkt 2 min -1, p mi = 2.7 bar den indizierten Wirkungsgrad und die Aufteilung der Prozesseinzelverluste für stöchiometrischen Betrieb und für einen, bei Einsatz von Wasserstoff darstellbaren, extrem mageren Betrieb bei λ = 4. Durch den extremen Magerbetrieb kann der indizierte Wirkungsgrad von 29% auf 8.5% gesteigert werden. Die detaillierte Verlustanalyse zeigt, dass dies auf einen verbesserten Vergleichsprozesswirkungsgrad infolge der veränderten Stoffwerte, wegen niedrigerer Verbrennungsspitzentemperaturen auf verringerte Wärmeverluste sowie nicht zuletzt auf geringere Ladungswechselverluste aufgrund nahezu vollständiger Entdrosselung, zurückzuführen ist. Der Verlust durch die im Magerbetrieb verschleppte Verbrennung steigt aufgrund der spezifischen Brenneigenschaften von Wasserstoff nur leicht an und kann durch die genannten Zugewinne überkompensiert werden. Gleichzeitig zeichnet sich der extreme Magerbetrieb durch eine nahezu kohlenwasserstoff- und stickoxidemissionsfreie Verbrennung aus. Einzylinder-Forschungsmotor Hubraum Hub/Bohrung Verdichtungsverhältnis Anzahl Ventile Einspritz- bzw. Einblase- Equipment Zusätzliche Ausrüstung.5 dm mit zentraler Zündkerzenlage Benzin Kanaleinspritzung und Direkteinspritzung CNG Kanaleinblasung H2 Kanaleinblasung H2 Direkteinblasung in Planung Variable Ladungsbewegung Externe Ladegruppe Externe Abgasrückführung Bild 1: Einzylinder-Forschungsmotor

2 2 Anteil der zugeführten Energie [%] Verluste durch Leckage und Restterm Verluste durch nicht ideale Verbrennung Wärmeverluste Ladungswechselverluste Indizierter Wirkungsgrad 8.5% 29% +9.5% ε = 1 ε = 1 λ = 1 λ = 4 Bild 2: Verlustteilung 2 min -1, p mi = 2.7 bar, ε = 1, H 2 Betrieb Mit Blick auf die Darstellung eines volllasttauglichen Konzeptes muss berücksichtigt werden, dass Wasserstoff durch eine mit der Last steigenden Gefahr abnormaler Verbrennungsphänomene charakterisiert ist, welche Folge der geringen minimalen Zündenergie von lediglich.2 mj (bei λ = 1, p = 1.1 bar) sind. Somit kann es während der Ansaugphase zu Rückzündungen in das Ansaugsystem sowie nach Abschluss des Ladungswechsels zu Selbstzündungen an heißen Oberflächen oder an heißem Restgas kommen. In Bild ist dem Druckverlauf der regulär ablaufenden Verbrennung ein Druckverlauf einer zu einem späten Zeitpunkt der Kompression einsetzende Glühzündung bei gleichzeitig klopfender Verbrennung und einer anschließenden frühen Glühzündung gegenübergestellt. Bei einer Rückzündung findet der Kraftstoffumsatz während der Ansaugphase statt und in der anschließenden Kompressionsphase werden die heißen Verbrennungsgase verdichtet. Zylinderdruck [bar] Wasserstoffverbrennung 2 min -1, Volllast T KW = T Öl = 95 C Zündzeitpunkt = KW v.ot Glühzündung Rückzündung Späte Glühzündung und Klopfen reguläre Verbrennung 2 Zeitlicher Verlauf [ KW] Bild : Abnormale H 2 Verbrennung Das Vermeiden unkontrollierter Zündungen ist wesentlicher Schwerpunkt der Brennverfahrensentwicklung von Wasserstoffmotoren. Neben einer sorgfältigen Auslegung des Kühlkonzeptes mit Hilfe moderner CFD- Methoden zur Sicherstellung einer gleichmäßig geringen Brennraumoberflächentemperatur, natriumgefüllten Auslassventilen und der Wahl einer kalten Zündkerze hat vor allem die Abstimmung der Steuerzeiten in Kombination mit der einlass- und auslassseitigen Gasdynamik zur Steuerung des Restgasanteils entscheidenden Einfluss auf das Brennverhalten. Darüber hinaus ist die Einblasestrategie, d.h. die Wahl des Einblaseorts, des - zeitpunkts und der -dauer, jeweils unter Berücksichtung der drehzahlabhängigen Gasdynamik, wesentliche Einflussgröße zur Vermeidung der beschriebenen unkontrollierten Verbrennungsphänomene. Vor diesem Hintergrund wurde das Potenzial eines aufgeladenen, mager betriebenen Wasserstoffbrennverfahrens untersucht. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads ist ein für ottomotorische Konzepte hohes Verdichtungsverhältnis von ε = 1 gewählt worden. Aufgrund der extrem weiten Zündgrenzen des Wasserstoffs ist ein qualitätsgeregelter Betrieb im nahezu gesamten Betriebsbereich möglich, was in weiten Lastbereichen eine Abstimmung auf ein Luftverhältnis von λ > 4 bedeutet. Basierend auf den stationär gemessenen Betriebspunkten wurde mit 6.8l/1km, ein benzinäquivalenter Zyklusverbrauch auf dem Niveau moderner Dieselmotoren hochgerechnet, Bild 4. In den durchgeführten Untersuchungen konnte mit diesem Konzept betriebspunktabhängig ab einem Luftverhältnis von etwa 2 bis 2.5 eine nahezu NO x -freie Wasserstoffverbrennung dargestellt werden. Die durchgeführte Hochrechnung der NO x -Emission lässt die Einhaltung der Euro IV Grenzwerte für Ottomotoren von.8 g/km erwarten, Bild 4. [ l / 1 km ] Streubereich Otto Streubereich Diesel Kraftstoffverbrauch [ g/km ] Bild 4: NEFZ-Hochrechnung EU IV - Diesel EU IV - Otto NO x - Emission Durch die Kombination von überstöchiometrischer Betriebsweise und Aufladung, bei konsequenter Umsetzung der oben beschriebenen Maßnahmen zur Vermeidung von Selbstzündungen, konnte ein zu heutigen Otto- und Dieselmotoren vergleichbares Volllastverhalten dargestellt werden. Allein begrenzt durch den ma-

3 VKA Newsletter, Ausgabe 1/25 ximalen Zylinderdruck von 12 bar konnten indizierte Mitteldrücke von 15 bar realisiert werden. Zusammenfassend soll festgehalten werden, dass Wasserstoff als Kraftstoff für zukünftige Verbrennungsmotoren erhebliche Potentiale hinsichtlich Wirkungsgradsteigerung sowie Emissionsminderung bietet. Es lohnt sich dieses zu untersuchen, zu analysieren und darzustellen. Diese Betrachtungen sollten jedoch immer vor dem Hintergrund der Gesamtwirkungsgradkette, inklusive der Wasserstofferzeugung durchgeführt werden. Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Dipl.-Ing. Fabian Fricke Tel.: +49 () 241 / Fax: +49 () 241 / fricke@vka.rwth-aachen.de Einfluss einer NO x - Speicherkatalysatorbeschichtung auf das Beladungsverhalten von Partikelfiltern Im Rahmen eines FVV-Forschungsvorhabens sollten mögliche gegenseitige Beeinflussungen der verschiedenen Regenerationsstrategien für einen Partikelfilter mit NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung (CDPF) bei verschiedenen motorischen und abgasseitigen Parametern im Teillastbereich untersucht werden, Bild 1. Mögliche Effekte, die bezüglich einer Synergie zwischen NO x - Speicherkatalysator und Partikelfilter betrachtet wurden sind z.b. die Temperatur, NO/NO 2 -Menge vor Partikelfilter oder eine unterschiedliche Rußzusammensetzung im Mager- und Fettbetrieb. Durch Variation sowohl der DeNOx-Regenerationsstrategie als auch der Abgaszusammensetzung innerhalb einer definierten Beladungszeit konnten mögliche Synergieeffekte zwischen NOx- Speicher und der Partikelakkumulation näher betrachtet werden. Hierzu wurden die Mager- und Fettzeiten sowie die AGR-Raten (NOx-Rohemission) im Magerbetrieb variiert sowie ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet. Alle Untersuchungen wurden dabei ebenfalls mit einem unbeschichteten Partikelfilter (DPF), welcher als Referenz diente, durchgeführt. Bild 1: Partikelfilter mit NO x -Speicherkatalysatorbeschichtung Der Einfluss der DeNOx-Regenerationsstrategie auf den Partikelaufbau im Filter wird durch Variation eines Mager/Fett-Zyklus untersucht. Unter Mager/Fett-Zyklen wird der stationäre Motorbetrieb bei normaler magerer Dieselverbrennung, indem die Stickoxide im Speicher akkumuliert werden mit der anschließenden NOx- Regenerationsphase im fetten Motorbetrieb verstanden. Bild 2 zeigt die Ergebnisse der Partikelbeladungen nach 12 min und die aktuell gespeicherte NOx-Masse vor dem Fettbetrieb für die Variationen der Mager- und Fettzeiten. Zunächst zeigt sich mit einer Verkürzung der Magerzeit bzw. Verlängerung der Fettzeit eine Zunahme der Partikelbeladung im DPF, was durch den erhöhten Rußmassenstrom des Motors im Fettbetrieb bezogen auf 12 min Beladungszeit erklärt werden kann. Ausgehend von dem Mager/Fett-Zyklus 12s/8s zeigt sich sowohl bei Erhöhung der Fettzeit (14 s) als auch bei Verringerung der Magerzeit (6 s), dass die Rußbeladungen im CDPF im Vergleich zum DPF nach 12 min abgenommen hat. Durch die Variation der Magerzeit werden unterschiedliche Mengen an Stickoxiden zu Beginn des NO x -Regenerationsbetriebes adsorbiert. Es scheint somit kein offensichtlicher Einfluss der adsorbierten Stickoxide, welche anschließend im Fettbetrieb reduziert werden, vorzuliegen. Sowohl bei einer Magerzeit von 12 s im Zyklus 12s/14s als auch bei einer von 6s im Zyklus 6s/8s findet im CDPF ein Rußabbau statt. gespeicherte NOx v. Fettbetr. [g] Rußbeladung nach 12 min [g/l] Betriebspunkt: 15 1/min; p me = 5 bar, AGR-Rate: 18%, ohne Oxi.-Kat. CDPF DPF asis, reiner 12 12/8 / 6 6/8 / 12/14 / agerbetrieb Mager/Fett-Zeit [s] Bild 2: Partikelbeladung nach verschiedenen Mager/Fett-Zyklen Eine Möglichkeit zur Erklärung für das Rußbeladungsverhalten im CDPF bei den verschiedenen Mager/Fett- Zyklen lässt sich aus den Temperaturverläufen ableiten, Bild. Durch konstante Fettzeit in den verschiedenen Mager/Fett-Zyklen 12s/8s und 6s/8s werden vergleichbare maximale Temperaturen nach Übergang von

4 4 dem Fett- in den Magerbetrieb erreicht. Mit Erhöhung der Fettzeit auf 14 s erhöhen sich entsprechen die maximalen Temperaturen im CDPF (52 C). Bei einer Verringerung der Magerzeit von 12 s auf 6 s zeigt sich hingegen im Mittel über dem gesamten Zyklus eine Erhöhung der Temperatur in der Magerphase. Durch diese kürzere Magerzeit reicht die Zeit für die Abkühlung auf die Temperatur des reinen Magerbetriebs nicht mehr aus. Zudem ist im Mager/Fett-Zyklus 6s/8s die Frequenz der maximalen Temperaturen im CDPF am größten, d.h. über die Beladungsdauer von 12 min werden am häufigsten maximale Temperaturen größer 42 C erreicht. Dies lässt darauf schließen, dass ein potentieller Einfluss durch die Temperatur auf die Partikelakkumulation vorliegt. Es ist jedoch festzuhalten, dass die auftretenden maximalen Temperaturen deutlich unter denjenigen Temperaturen liegen, die normalerweise für eine schnelle thermische Regeneration eines Partikelfilters erforderlich sind, und auch nur kurzzeitig auftreten. T im CDPF [ C] T im CDPF [ C] T im CDPF [ C] Zyklus: 12/ Zyklus: 6/ Zyklus:12/ Fettphase TF1 TF TF2 TF1 TF2 TF T im DPF/CDPF Zeit[s] Bild : Temperaturverläufe in verschiedenen Mager/Fett-Zyklen Zur Untersuchung des Einflusses der Abgaszusammensetzung vor Filter wird bei einem definierten Mager/Fett-Zyklus (12s/14s) ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet. Dadurch kann je nach Effizienz die NO 2 - Emission vor Filter wesentlich beeinflusst werden. Bild 4 zeigt die Partikelbeladungen mit und ohne vorgeschalteten Oxidationskatalysator für den DPF und CDPF. Zudem zeigt Bild 4 die Rußbeladungen für beide Filter bei reinem Magerbetrieb nach 12 min. Durch Vergleich der Rußbeladungen im DPF bei Mager/Fett-Zyklus und reinem Magerbetrieb kann die Rußmenge, welche aus dem Fettbetrieb stammt, quantifiziert werden. Beim Vergleich der Rußbeladungen im CDPF und DPF nach 12 min reinen Magerbetrieb zeigt sich, dass hier kein Einfluss der Stickoxide auf das Partikelbeladungsverhalten vorliegt, da die Rußbeladungen nahezu identisch sind. Aber auch die Partikelbeladungen im CDPF nach den Mager/Fett-Zyklen sowohl ohne als auch mit vorgeschaltenten Oxidationskatalysator sind mit der Rußbela- dung nach reinem Magerbetrieb vergleichbar. Demgegenüber wird aber eine Partikelabnahme im DPF bei vorgeschaltetem Oxidationskatalysator etwa auf das Niveau des Magerbetriebes festgestellt, wobei hier die Beladung ohne Oxidationskatalysator deutlich über der des CDPF liegt. Ursache hierfür kann nicht alleine die Temperatur sein, da dem DPF die aktive Beschichtung, welche die Temperaturerhöhung beim Fett/Mager- Sprung bewirkt, fehlt. Vielmehr ist der Einfluss in dem Vorschalten eines Oxidationskatalysators zu finden, da hier NO 2 erzeugt werden kann und somit einen Abbau des Rußes im DPF aufgrund des CRT -Effektes möglich wird. Auffällig ist, dass sowohl im DPF als auch im CDPF anscheinend nur die Menge Ruß abgebaut wird, welche aus Fettbetrieb, während des Mager/Fett-Zyklus, entstanden ist. gespeicherte NOx v. Fettbetr. [g] Rußbeladung nach 12 min [g/l] Betriebspunkt: 15 1/min; p me = 5 bar, AGR-Rate: 18%.8 Zyklus: Mager/Fett: 12s/14s, Beladungsdauer: 12 min Rußmenge aus dem Fettbetrieb CDPF DPF ohne Oxi.-Kat. 1 ohne Oxi.-Kat. mit Oxi.-Kat. reiner Magerbetrieb Bild 4: Partikelbeladungen im Mager/Fett-Zyklus 12 s/ 14 s bei einer AGR-Rate von 18 % In weiteren Untersuchungen wurde zur Erhöhung der NOx-Rohemission die AGR-Rate im Magerbetrieb verringert. Zusätzlich wurde ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet um die NO 2 -Konzentration vor Filter ebenfalls weiter zu erhöhen. Die Ergebnisse hierbei zeigten, dass sowohl im CDPF als auch im DPF der Abbau des Rußes im Filter weiter verstärkt werden kann. Daraus resultiert, dass der Rußabbau im unbeschichteten Filter (DPF) in den verschiedenen Untersuchungsvarianten alleine auf einen mehr oder weniger wirksamen CRT -Effekt zurück zu führen ist. Die Untersuchungen mit CDPF ergaben, dass bei einer niedrigen NO 2 - Konzentration vor Filter der wesentliche Einflussparameter für den Rußabbau die Temperatur ist. Mit zunehmender NO 2 -Konzentration wird zusätzlich ein merklicher CRT -Effekt wirksam. Bei sehr hohen Temperaturen und/oder sehr hoher NO 2 -Konzentration wird die abgebaute Rußmenge im Filter maximal.

5 VKA Newsletter, Ausgabe 1/25 Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Dipl.-Chem. Britta Sliwinski Tel.: +49 () Fax: +49 () sliwinski@vka.rwth-aachen.de LEHRE Umdrucke Zur Gewährleistung der Aktualität der vom Lehrstuhl angebotenen Lehrveranstaltungen ist zum vergangenden Wintersemester die überarbeitete 24. Auflage des zweibändigen Vorlesungsumdrucks Verbrennungskraftmaschinen erschienen. Im kommenden Sommersemester wird diese Ausgabe erstmalig als komplette Fassung in Englischer Sprache erscheinen. Im SS 25 wird zudem erstmals ein vollständiger Umdruck für die Veranstaltung Unkonventionelle Fahrzeugantriebe angeboten. Weitere Informationen zu Lehrveranstaltungen finden Sie unter: VKA INTERN Nachruf Am 2. März 25 verstarb plötzlich und unerwartet unsere ehemalige langjährige Kollegin Margret Schmillen. Frau Margret Schmillen war von Juli 1968 bis Dezember 1997 an unserem Institut tätig. Sie wird uns immer als pflichbewusste, engagierte und liebenswerte Kollegin in Erinnerung bleiben. Unser Mitgefühl gilt ihrer Familie. EVENTS 14. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 25, Eurogress, Aachen Das 14. Aachener Kolloqium Fahrzeug und Motorentechnik wird diesmal Dienstag bis Donnertag, den Oktober 25 stattfinden. Aktuelle Informationen und die Anmeldungsformalitäten sind auf der Website des Aachener Kolloquiums zu finden oder über Frau Schaefer-Hamm zu erfragen November 25, Essen HdT Tagung Magermotoren unter der Leitung von Dr.-Ing. Markus Umierski und Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger Informationen / Tagungsbände / Programm: Birgit Schaefer-Hamm Tel.: +49 () 241 / Fax: +49 () 241 / hamm@vka.rwth-aachen.de Motortechnisches Seminar Sommersemester 25 Montag, 27. Juni 25; 18: Uhr Dipl.-Ing. Oliver Lang Spartenleitung Ottomotoren und Thermodynamik FEV Motorentechnik GmbH Ottomotorische Brennverfahren zum Einsatz zukünftiger Kraftstoffe Montag, 4. Juli 25; 18: Uhr Dr.-Ing. Rolf Leonhard Bereichsvorstand Robert Bosch GmbH Die Zukunft der Benzindirekteinspritzung Die Vorträge finden im Kármán-Auditorium, Forum 5, Eilfschornsteinstraße 15, in Aachen statt. Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Anmeldung ist nicht erforderlich. Aktuelle Informationen finden Sie auf der VKA-Website: Informationen / Programm: Dipl.-Ing. Thorsten Schnorbus Tel.: +49 () 241 / Fax: +49 () 241 / schnorbus@vka.rwth-aachen.de 5 Haus der Technik Tagungen Oktober 25, Essen HdT Tagung Kontrollierte Selbstzündung unter der Leitung von Dipl.-Ing. Oliver Lang, Dr.-Ing. Wolfgang Salber und Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger

6 6 Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH Aachen Impressum: Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA - RWTH Aachen Schinkelstraße Aachen Redaktion: Dipl.-Ing. Fabian Fricke Tel.: +49 () 241 / Fax: +49 () 241 / fricke@vka.rwth-aachen.de Birgit Schaefer-Hamm Tel.: +49 () 241 / Fax: +49 () 241 / hamm@vka.rwth-aachen.de Fotos: Waltraud Hostettler Design: Winfried Falkenau