Welches sind noch mögliche Fortschritte in der Verbrennung? Was sind die zukünftigen Rahmenbedingungen? Wie kann der Dieselmotor konkurrieren?

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1 "Heavy Duty Diesel Verbrennung für Euro VI und die Zukunft" Präsentation in Zürich, 28. Oktober 2009 Verfasser: Dr. Wolfgang Gstrein Funktion: Leiter Vorentwicklung Arbon, 08 October 2009 Titelbesprechung: Heavy Duty Diesel Euro VI Verbrennung: auf Motoren für effizienten Gütertransport im LKW Fernverkehr zugeschnitten Welches sind noch mögliche Fortschritte in der Verbrennung? Was sind die zukünftigen Rahmenbedingungen? Wie kann der Dieselmotor konkurrieren? I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 2

2 Zukunft: optimales Energiespeicher/wandler Konzept? DESERTE C CO2- Batterie stoffinfra- Speichern Supraleitunfusion CTL Kern- Kraftstoffe Wasser- (CCS) struktur Bio-n- Hybrid KBi fra na- ffe t fr gfe I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 3 Emissionslimits, Konzept für Euro VI: BSFC g/kwh 1-stage TC Fuel cons 2-stage TC PM (g/kwh) Combustion optimisation Euro III Starting point Euro III Euro VI PM-aftertreatment high efficiency SCRT, low EGR 0.4 Euro V 2.0 Advanced timing, incr. inj. press increased boost, further incr. inj. SCR: % efficiency pressure Euro IV 3.5 SCR 5.0 High EGR NOx (g/kwh) Euro IV/V I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 4

3 Neu in Euro VI: Von Euro V nach Euro VI Harmonisierte Emissionstests (ESC, ETC WHTC mit Kalt- und Heisstestphase, WHSC, NTE, OBD, ISC.) Partikelzählung, Limitierung auf 6*10 11 #/kwh im WHTC und 8*10 11 im WHSC, erfordert geschlossene Russfilter mit äusserst hoher Filterwirkung hohe Investitionen in Mess- und Prüfstandstechnik Nach Euro VI CO2- Reduktion (bei Dieselkraftstoff mit festem C/H- Verhältnis gleichwertig der Verbrauchsreduktion)? I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 5 Isolierte Betrachtung der Verbrennung? Einspritzung Kraftstoffe, (katalytische Additive) Ladungsbewegung (Drall etc.) Wandwärme Gefordert ist eine effiziente, schadstoffarme Verbrennung Aufladung Abgasnachbehandlung Abgasrückführung I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 6

4 Definition eines Verbrennungswirkungsgrades: Verbr W Q Br Hochdruck Q Wand Gaseigenschaften (Brennstoff, Luftmenge) Expansionsverhältnis, Verbrennungsführung Wärmeübergang = anderes Thema (Ladungsbewegung, Isolierung) dm d E he p E dm d B HU p A dm d A ha m, p, T, V dq W d dw d I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 7 Thermodynamischer Prozess: I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 8

5 Was bedeutet das für die Verbrennung? optimaler Spritzbeginn, schnelle Verbrennung, schneller Ausbrand, hierfür: günstige Kraftstoffverteilung mit hohem Einspritzdruck Voreinspritzung für Geräuschreduktion, Nacheinspritzung für Russverringerung und Temperaturmanagement/Aftertreatment Alternative Brennverfahren HCCI, PCCI, Benzin/Diesel- Gemische? Auf Aftertreatmentsystem abgestimmtes NO 2 / Russ- Verhältnis (wegen passiver Russoxidation im Partikelfilter) Thermomanagement des Aftertreatments zur Abgastemperaturerhöhung (Luftverhältnis, Spritzbeginn, Nacheinspritzung) Verminderung der Kosten für Aftertreatment I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 9 Typische Euro VI- Dieselverbrennung: Schneller Ausbrand I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 10

6 Brennraumentwicklung gestern und heute: HD - Euro II Euro III/IV/V Euro VI Hand Rechner CAD, CFD LD Saugmotor LD Euro 3 I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 11 Diesel Volllast- Verbrennung: Quellterme: ai, pf, df Selbszündung Diffusionsflamme Two pre-mixed mode: AI auto ignition, PF flame propagation One non-premixed mode: DF diffusion flame I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 12

7 Diesel Volllast- Verbrennung: Maximale Selbstzündungsrate noch kein Wandeinfluss AI Combustion PF Combustion DF Combustion I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 13 Diesel Volllast- Verbrennung: Maximale Rate der Diffusionsflamme Wandinteraktion der Verbrennung AI Combustion PF Combustion DF Combustion I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 14

8 CFD: Teillast HCLI vs. konventionelle Dieselverbrennung SOI_h= +1.7 EGR= 9.5% CFD AI is +6.5 cyl. P = 83 bar cyl T = 908 K Measured AI (HR) is +7.5 CFD AI overpredicted by 1 Good prediction for AI & HR Diesel Mode AI HCLI Mode AI SOI_h= EGR= 44% CFD AI is -13 cyl. P = 47 bar cyl T = 810 K Measured AI (HR) is -19 CFD AI underpredicted by 6 Good prediction of cold flame but AI too much underpredicted. The spray model has big influcene on the mixture preparation. I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 15 CFD: Teillast HCLI vs. konventionelle Dieselverbrennung Globales Burke Schumann Diagramm 10% EGR HCLI 44% EGR Verbrennung ausserhalb der Zonen mit hoher NO & Russbildung I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 16

9 Zusammenfassung: Die Verbrennungsentwicklung ist weiterhin auf Verbrauchsminimierung und die Verringerung der Schadstoffkomponenten im Zylinder fokussiert. Ziel ist, ein optimiertes Gesamtsystem aus Aufladung, Einspritzung, Verbrennung und Abgasnachbehandlung zuf finden, um die Anforderungen für Euro VI und danach kostenoptimal erfüllen zu können. I M AG ETH- Zürich, 28.Okt w.g. 17