NEW DIESEL EFFIZIENZSTEIGERUNG VON NFZ-DIESELMOTOREN

Transkript

1 NEW DIESEL EFFIZIENZSTEIGERUNG VON NFZ-DIESELMOTOREN ASSOC.PROF. DR. THOMAS LAUER Science Brunch Wien, Tech Gate, Donau-City-Straße 1, 1220 Wien

2 INHALT Motivation und Zielsetzung Methodischer Ansatz Modellierung des Motors und der Abgasanlage Systemoptimierung und Resultate Zusammenfassung und Ausblick 2

3 INHALT Motivation und Zielsetzung Methodischer Ansatz Modellierung des Motors und der Abgasanlage Systemoptimierung und Resultate Zusammenfassung und Ausblick 3

4 MOTIVATION Kraftstoffkosten sind ein wesentlicher Bestandteil der TCO bei schweren NFZ Emissionsregulierung stellt hohe Anforderungen an das Brennverfahren Quellen: 4

5 MOTIVATION Niedrige Stickoxid-Emissionen und niedriger Kraftstoffverbrauch sind gegenläufige Entwicklungsziele des Brennverfahrens Abgasnachbehandlung ist ein wesentlicher Bestandteil zur Zielerfüllung SCR-Technologie Brennverfahrensentwicklung wird zunehmend von der Systementwicklung abgelöst Für NFZ ist die rein experiemtelle Abstimmung teuer und aufwändig Bereitstellung neuer Methoden erforderlich, um eine optimale Systemabstimmung zu erreichen Quelle: Holloh, K.-D.: Technologien für einen energieeffizienten Straßenverkehr. TU Berlin,

6 ZIELSETZUNG Aufbau und Kalibrierung eines numerischen Rechenmodells in der Simulationsumgebung GT-Suite für: den aufgeladenen Motorprozess die Nachbehandlung der Stickoxide Modellkalibrierung mittels Experimenten am Motorprüfstand Berechnung des Kraftstoffverbrauchs und der Stickoxid- Emissionen (Rohemissionen und End-of-Pipe). Kopplung des numerischen Modells mit Optimierungsroutinen Berechnen verbrauchsgünstiger Motorstrategien im World Harmonised Transient Cycle (WHTC) unter Einhaltung zukünftiger Abgasvorschriften (Stickoxide) 6

7 ZIELSETZUNG New Diesel Effizienzsteigerung von NFZ-Dieselmotoren Projekteckdaten Antragsteller: Partner: Programm: Dauer: Projektnummer: Budget: Fördersumme: Univ. Prof. Dr. Bernhard Geringer Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik Technische Universität Wien MAN Truck & Bus Österreich AG Neue Energien 2020, 3. Ausschreibung bis (27 Monate) Euro Euro 7

8 INHALT Motivation und Zielsetzung Methodischer Ansatz Modellierung des Motors und der Abgasanlage Systemoptimierung und Resultate Zusammenfassung und Ausblick 8

9 METHODISCHER ANSATZ NFZ-Motor für Verteiler- und Bus-Betrieb Reihen-6-Zylinder Diesel Motor (Hubraum 10,5 Liter, Leistung min -1 ) Hochdruck-Common Rail Einspritzsystem mit Mehrfacheinspritzung 2-stufige Aufladung mit Zwischenkühlung Gekühltes, externes EGR Abgasnachbehandlung für EURO VI (DOC, DPF, SCR) 9

10 METHODISCHER ANSATZ 10

11 INHALT Motivation und Zielsetzung Methodischer Ansatz Modellierung des Motors und der Abgasanlage Systemoptimierung und Resultate Zusammenfassung und Ausblick 11

12 MODELLIERUNG DES MOTORS UND DER ABGASANLAGE Motor Motorsteuerung Circuit Splitter Abgasnachbehandlung Stationäre Messung (WHSC) Ladungswechsel Verbrennung NO x -Bildung Transiente Messung (WHTC) Zyklusverbrauch Light-Off NO x -Konversion 12

13 MODELLIERUNG DES MOTORS UND DER ABGASANLAGE Einspritzverlauf als Eingangsgröße für Verbrennungsmodell Verbrennung Temperature [K] NO-Bildung Mole-fraction [ppm] Modellierung des Strahlaufbruchs 13

14 MODELLIERUNG DES MOTORS UND DER ABGASANLAGE 14

15 MODELLIERUNG DES MOTORS UND DER ABGASANLAGE Stationärpunkte bei 50% Last Drehzahl-Sweep Vergleich Spez. Verbrauch NO x -Rohemission 15

16 MODELLIERUNG DES MOTORS UND DER ABGASANLAGE Stationärpunkte bei 50% Last Lambda-Sweep (konstante Zylinderladung) Vergleich Spez. Verbrauch NO x -Rohemission 16

17 MODELLIERUNG DES MOTORS UND DER ABGASANLAGE Einbringen des Trägerfluids (wässrige Harnstofflösung: AdBlue) NH 3 (NH 3 )* (NH 3 )* NH 3 4NH 3 + 3O 2 2N 2 +6H 2 O 4(NH 3 )* + 4NO + O 2 4N 2 + 6H 2 O 8(NH 3 )* + 6NO 2 7N H 2 O 4(NH 3 )* + 2NO+ 2NO 2 4N 2 + 6H 2 O Adsorption Ammoniak auf aktiver Oberfläche Desorption Ammoniak Reaktion in der Gasphase Oberflächenreaktion (Standard-SCR-Reaktion) Oberflächenreaktion (Langsame Reaktion) Oberflächenreaktion (Schnelle Reaktion) 17

18 MODELLIERUNG DES MOTORS UND DER ABGASANLAGE Stickoxid-Konversion transienter Zyklus (basierend auf WHTC) Letzter Abschnitt HWL-Dosierung und NOx Konversion beginnen Gemessene Rohemssionen als Eingangsgröße 18

19 INHALT Motivation und Zielsetzung Methodischer Ansatz Modellierung des Motors und der Abgasanlage Systemoptimierung und Resultate Zusammenfassung und Ausblick 19

20 SYSTEMOPTIMIERUNG UND RESULTATE Ein vereinfachtes, auf neuronalen Netzen (mathematische Kennfelder) basierendes, Modell wurde zur Berechnung der transienten Zyklen aus dem Vollmodell abgeleitet (Mean Value) stationäre Betriebspunkte wurden zum Trainieren der neuronalen Netze berechnet. Beschleunigung der numerischen Lösung: WHTC real: 30 Min. Vollmodell: 15 Std. MV Modell: 45 Min. (1,5fache Echtzeit) Design-of-Experiment 20

21 SYSTEMOPTIMIERUNG UND RESULTATE Light-Off Zeit als Haupteinflussgröße identifiziert Überarbeitung der Abgasanlagengestaltung Base Reduced length Air-gap insulation 1 Air-gap insulation 2 b e 100% +0,2% -0,1% +0,1% NO x 100% -0,3% -0,3% -0,7% NO x,eop 100% -14% -13% -19% t AdBlue 100% -5,1% -4,9% -6,2% 21

22 SYSTEMOPTIMIERUNG UND RESULTATE Optimierte Ausführung der Abgasanlage verringert die NO x - Emissionen und ermöglicht so eine weitere Optimierung der Verbrennung (EGR-Raten, Verbrennungsschwerpunkt). Final Optimization Results BSFC -2.1% NO x -4,9% NO x,eop -4.0% 22

23 INHALT Motivation und Zielsetzung Methodischer Ansatz Modellierung des Motors und der Abgasanlage Systemoptimierung und Resultate Zusammenfassung und Ausblick 23

24 ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK (I) Die zukünftigen Abgasgrenzwerte sind eine Herausforderung für die weitere Effizienzsteigerung von NFZ-Motoren. Eine gesamthafte Optimierung des Antriebs unter Einbeziehung der Abgasnachbehandlung ist erforderlich. Es wurde im Rahmen des Förderprojekts ein numerisches Modell für einen modernen NFZ-Motors inklusive EURO VI Abgasnachbehandlung aufgebaut und mittels Messungen am Motorprüfstand validiert. In Verbindung mit numerischen Optimierungsverfahren konnten weitere Potenziale zur Verbrauchseinsparung und zur Absenkung der Stickoxide aufgezeigt werden. Die Light-Off Zeit der SCR-Strecke hat sich als größter Einflussfaktor erwiesen. Maßnahmen zur raschen Eindosierung von AbBlue führten zu Freiheitsgraden für das Brennverfahren und zu Verbrauchseinsparungen. 24

25 ZUSAMMENFASSUNG & AUSBLICK (II) Durch die Förderung konnten die umfangreichen Modellierungsschritte durchgeführt werden. Die langen Vorbereitungszeiten werden in rein bilateralen Projekten oftmals nicht akzeptiert. Die Methode soll auf weitere Antriebskonzepte übertragen werden. Im Rahmen des FFG-Projekts On-Board Powerplant: On-Board Powerplant: Numerische Optimierung von Verbrennungsmotoren in seriellen Hybrid- Antrieben (thematisches Programm a3plus, 4. Ausschreibung) ist dies bereits geschehen. Zahlreiche Publikationen wurden durchgeführt, u.a. beim SAE World Congress in Detroit (SAE-Paper ) und in der Motortechnischen Zeitschrift MTZ 02/

26 VIELEN DANK! Science Brunch Wien, Tech Gate, Donau-City-Straße 1, 1220 Wien