Potenziale von Luftpfadvariabilitäten am Nfz-Gasmotor

Gasmotoren können aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts im Treibstoff einen wichtigen Beitrag dazu leisten, künftige CO2-Flottenemissionsziele für Nutzfahrzeuge zu erreichen. Um unkontrollierte Selbstzündungen zu verhindern, müssen solche Motoren jedoch bei hoher Last mit spätem Zündwinkel betrieben werden. Zudem ist bei niedrigen Lasten eine Drosselung notwendig. Beide Eingriffe verschlechtern den Wirkungsgrad des Motors. Im FVV-Vorhaben „Potenziale von Luftpfadvariabilitäten am Nfz-Gasmotor“ wird erstmals systematisch untersucht, wie weit sich Motor-Wirkungsgrad und Emissionsniveau durch frühes Schließen der Einlassventile („Millersteuerzeiten“) verbessern lässt. Betrachtet werden zudem die Wechselwirkungen mit einer Abgasrückführung, einer Wassereinspritzung sowie einer möglichen Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses. Das Projekt setzt auf Erkenntnissen auf, die in Vorgängervorhaben zu variablen Ventilsteuerzeiten bei Nfz-Dieselmotoren gewonnen wurden.

Motivation

Die Kombination von Otto-Gas-Brennverfahren mit stöchiometrischem Luftverhältnis und Drei-Wege-Katalysator bietet per se schon eine Möglichkeit, niedrige CO2-Emissionen mit sehr guten Schadstoff-Emissionswerten zu verbinden. Allerdings existierten vor dem Start des FVV-Vorhabens kaum wissenschaftlich abgesicherte Erkenntnisse dazu, wie weit sich der Wirkungsgrad durch variable Ventilsteuerzeiten verbessern lässt. Zudem liegen keine abgesicherten Erkenntnisse dazu vor, welche Wechselwirkungen mit anderen emissionssenkenden Technologien bestehen. Mit den Ergebnissen des vorwettbewerblichen Vorhabens können künftige Gasmotor-Generationen schnell einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz im Straßengüterverkehr leisten.

Methodik

Basis des Vorhabens sind Messungen an einem Einzylinder-Forschungsmotor an der Technischen Universität Braunschweig. Der Motor kam bereits in mehreren Vorgängervorhaben zu Ventiltriebsvariabilitäten zum Einsatz, musste für das aktuelle Projekt jedoch zunächst auf das Otto-Gas-Brennverfahren umgerüstet werden. Nach Inbetriebnahme sind Messungen im kompletten Kennfeldbereich durchzuführen, wobei nicht nur die Ventilschließzeiten, sondern über den Kolben auch das Verdichtungsverhältnis variiert wird. In verschiedenen Tests wird zudem der Einfluss von Abgasrückführung und Wassereinspritzung untersucht. Auf Basis der gewonnen Daten erstellt die Forschergruppe verschiedene Modelle als Basis einer Vollmotorsimulation, mit der das CO2-Potenzial zu bestimmen ist.

Ergebnis

Das Anfang 2019 begonnene Vorhaben soll bis Ende des Jahres abgeschlossen werden. Die Umrüstung des Prüfstands konnte erfolgreich durchgeführt werden. Anfang 2021 liegen bereits zahlreiche Messdaten vor, so dass mit dem Aufbau der Simulationsmodelle begonnen werden konnte.

Dokumentation

Downsizing durch Luftpfadvariabilitäten am Nfz-Motor | Potential von Luftpfadvariabilitäten am Nfz-Motor zur Leistungssteigerung bei Optimierung des Schadstoff- und des CO2-Ausstoßes | Vorhaben-Nr. 1065

Downsizing durch Luftpfadvariabilitäten am Nfz-Motor II | Potential von Luftpfadvariabilitäten am Nfz-Motor zur Leistungssteigerung bei Optimierung des Schadstoff- und des CO2-Ausstoßes | Vorhaben-Nr. 1199

Potenziale von Luftpfadvariabilitäten am Nfz-Gas-Motor | Potenziale von Luftpfadvariabilitäten für zukünftige Nfz-Gas-Motoren zur Effizienzsteigerung und Emissionsabsenkung | Vorhaben-Nr. 1346

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