EINSATZ UND POTENTIAL EINER EXTREM ABGEMAGERTEN, HOMOGENEN VERBRENNUNG

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1 EINSATZ UND POTENTIAL EINER EXTREM ABGEMAGERTEN, HOMOGENEN VERBRENNUNG REDUZIERUNG DER NO X - EMISSION UND DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHES von Norman Kamran und Torben Carstensen

2 Gliederung 2 1. Einleitung 2. Stand der Technik im Ottomotor Ottomotor mit 3- Wege- Katalysator 3. Magere Verbrennung Potential einer mageren Verbrennung Maßnahmen für Magerkonzept 4. Mahle Powertrain 5. Fazit Konzeptbeschreibung Auswertung der Versuche

3 Einleitung 3 Forschung im Bereich der KFZ- Energieeffizienzsteigerung Downsizing hat höchstes Potential hinsichtlich Energieeffizienz / Kraftstoffersparnis Wenn Downsizing ausgereizt, dann sollten weitere Strategien in Kombination mit Downsizing durchgeführt werden u.a. das Prinzip einer homogenen, mageren Verbrennung

4 Stand der Technik im Ottomotor 4 Ottomotor mit 3-Wege-Katalysator Stöchiometrisches Luftverhältnis λ = 1 Warum λ = 1? Minimaler Zündverzug=erhöhte Klopfgefahr Rohemissionen und Kraftstoffverbrauch nicht günstig 3-Wege-Katalysator sorgt jedoch für sehr gute Abgaswerte Einhaltung der Abgasnormen 3-Wege-Katalysator arbeitet nur bei λ = 1!

5 Vorteile des 3-Wege-Katalysators 5 Reduktion von NO X mit reduzierenden Stoffen (CO, H 2, HC) bei λ=1 Diese verbinden sich bei λ>1 mit O 2 keine Reduktion von NO X λ<1, keine Oxidation von CO und HC

6 Magere Gemischbildung 6 Was passiert bei einer mageren Verbrennung? Höherer Wirkungsgrad Kraftstoffeinsparung Verbrennungstemperatur sinkt Geringere Reaktionszeiten wegen niedrigeren Temp. Teilweise unvollständige Verbrennung NO X HC, CO HC- Anstieg durch Quench-Effekt), Verhinderung der HC- Emission durch schnelle Ladungsbewegung, kompakter Brennraum

7 Maßnahmen für Magerkonzept 7 Gemisch homogenisiert oder speziell geschichtet λ-regelung mit Magersonde Gezielte, Schnelle Ladungsbewegung Kompakte Brennraumform, Optimierte Quetschflächen Optimierte Zündkerzenlage (zentral, 4 Ventile) Hochenergiezündung Optimierte Ventilsteuerzeiten

8 Abgasnachbehandlung bei λ>1 8 Einsatz von 3- Wege-Katalysator nicht mehr möglich Oxidationskat. von CO und HC bei ausreichender Temperatur möglich Weitere Reduktion von NO X nur über Reduziermittel

9 Mahle Powertrain 9 Potentialuntersuchung einer mageren homogenen Verbrennung Entwicklung eines Zündstrahlverfahren mit turbulenter Vorkammer Ziel: Reduzierung von NO X und Kraftstoff

10 Turbulent Jet Ignition System 10 Neuartiges Kammerbrennverfahren Turbulent Jet Ignition System (Zündstrahlregelung) neue Steuer- und Regeleinheit Besondere Vorkammerauslegung Extrem abgemagerte und homogene Verbrennung möglich Einsatz von verschiedenen Kraftstoffen wie Benzin, Propan und Erdgas Umbau von Standardmotoren (Ersatz der Zündkerze)

11 Konstruktionskonzept 11 Im Vergleich zu älteren Kammerbrennverfahren nur sehr kleines Vorkammervolumen (ca. 1.3 cm 3 ) Verbindung der Vorkammer zum Brennraum durch sechs sehr kleine Bohrungen Optimierte Zündstrahlausbreitung Getrennt befüllte Vorkammer fettes Gemisch Getrennt befüllte Brennkammer magere, homogene Gemischbildung möglich Vorkammerverbrennung gezündet durch Zündkerze Zündstrahlverfahren erlaubt direkte Steuerung des Zündzeitpunktes durch die Zündkerze

12 Konstruktionsdetails 12

13 Konstruktionsdetails 13

14 Versuchsaufbau 14 Es wird das System in zwei verschiedene Versuchsmotoren installiert Freisaugender Einzylindermotor Mehrzylindermotor mit gekoppelter Fremdaufladeeinheit neue Kolben und Pleuelkonstruktion für höhe Drücke Austausch der Zündkerze gegen das TJIS

15 Einspritzung und Zündstrategie 15 Die Einspritzung des Kraftstoffes in die Vorkammer nach Schließung des Einlassventils (während der frühen Verdichtungsphase) Max. 4% der gesamten Kraftstoffmasse in der Vorkammer Zündzeitpunktanpassung wie bei normalem Brennverfahren Ziel: höchstes Drehmoment ohne Klopfen

16 Einspritzung und Zündstrategie 16

17 Auswertung: Klopffestigkeit 17 Test der Klopffestigkeit bei λ=1

18 Auswertung: Verbrennungsstabilität 18 Standardabweichung von p mi = Maß für die Verbrennungsstabilität Verschiebung der mageren Stabilitätsgrenze

19 Flammstrahlungsvergleich 19

20 Flammstrahlungsvergleich 20

21 Auswertung: therm. Wirkungsgrad 21

22 Auswertung: NO X -Emissionen 22

23 Auswertung: HC-Emission 23

24 Auswertung: Kraftstoffverbrauch 24

25 Fazit 25 Höhere erzielte Klopffestigkeit Höheres Verdichtungsverhältnis und Ladedrücke möglich Zündzeitpunkte für Drücke im MBT möglich Verbrennungsstabilität im extrem mageren Bereich Niedrigere NO X -Emissionen, bei leicht erhöhten HC- Werten Höherer thermischer Wirkungsgrad niedrigerer Kraftstoffverbrauch Einsatz in Standardmotoren Kombinierbar mit Downsizing

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 26