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Bildquelle: VKA

01.06.2021

FVV-Projekte in der MTZ: CNG-DI-Brennverfahren in Kombination mit Hochlast-AGR und Miller-Verfahren

Compressed Natural Gas (CNG) stellt eine kurz- und mittelfristige Ergänzung des Kraftstoffportfolios für Turbo-DI-Ottomotoren dar, denn es ist weltweit hochverfügbar und kann durch sein niedriges C/H-Verhältnis wesentlich zur Reduzierung von Treib-hausgas beitragen. Im Rahmen des FVV-Forschungsvorhabens Nr. 1202 wurde an der RWTH Aachen University und an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ein homogenes stöchiometrisches Brennverfahren mit direkter Erdgas-Einblasung in Kombination mit Hochlast-Abgasrückführung untersucht.

Der Schwerpunkt des Forschungsprojekts, das am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen Universität und am Lehrstuhls für Mobile Systeme (IMS) der Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) durchgeführt wurde, lag auf der gesamtheitlichen Bewertung des homogenen stöchiometrischen Brennverfahrens in Kombination mit einer Hochlast-Abgasrückführung (AGR) und einer Miller-Ventilsteuerung. Die Grundlagenuntersuchungen zur Gemischbildung wurden sowohl in einer Niederdruckeinspritzkammer als auch an einem geschleppten, optisch zugänglichen Einzylinder-Forschungsmotor durchgeführt und numerisch gestützt. Die Erkenntnisse wurden auf einen geometrisch baugleichen thermodynamischen Einzylinder-Forschungsmotor übertragen und um weitere numerische Untersuchungen ergänzt. Die Experimente wurden auf einen Mehrzylindermotor von Ford übertragen, deren Ergebnisse abschließend in ein 0-D-/1-D-Motormodell eingeflossen sind. In diesem Beitrag werden die thermodynamischen und numerischen Untersuchungsergebnisse vorgestellt.

Die in Auszügen präsentierte Forschungsarbeit umfasst verschiedene experimentelle und numerische Untersuchungen, um das Potenzial einer Erdgas-Direkteinspritzung zu bewerten. Die optischen Untersuchungen lieferten Grundlagenwissen zur direkten Gaseinblasung sowie wichtige Erkenntnisse zur Validierung des entwickelten 3-D-CFD-Injektormodells. Eine seitliche Einblasung verstärkt das Tumble-Niveau deutlich gegenüber einer zentralen Einblasung, sowohl bei einem frühen als auch späten Einblaszeitpunkt. Eine frühe zentrale Einblasung behindert sogar die vollständige Ausbildung des Tumbles. Insbesondere die motorischen Untersuchungen ermöglichten detaillierte Aufschlüsse über die Ausbreitung und Gemischbildung der CNG-Einspritzung. Die thermodynamischen Untersuchungen am Einzylindermotor zeigten, dass AGR ein limitiertes Potenzial aufweist, um die Verbrennungs-schwerpunktlage aufgrund eines limitierten Spitzendrucks zu beeinflussen. Die Vollmotoruntersuchungen mit Hochlast-AGR zeigten ein hohes NOx-Reduktionspotenzial mit leichtem Wirkungsgradvorteilen bis n = 4000/min. Die Spitzendrücke konnten bei gleicher Schwerpunktlage nicht reduziert werden. CNG als Kraftstoff mit entsprechenden Motormodifikationen hat also in vielerlei Hinsicht großes Potenzial. Insbesondere bei der Zugabe oder der ausschließlichen Verwendung regenerativ erzeugten Methans könnte ein monovalenter CNG-Antrieb eine extrem CO2-arme beziehungsweise -neutrale Technologie darstellen.

Projektsteckbrief

Die FVV in MTZ und ATZ

Ergebnisse aus der Industriellen Gemeinschaftsforschung sind für alle Interessierten zugänglich und so werden Abschlussberichte von FVV-Forschungsvorhaben auf unseren Informationstagungen im Frühjahr und Herbst der Öffentlichkeit vorgestellt. Um den Wissenstransfer und die Erweiterung des Innovationsnetzwerkes zusätzlich zu fördern, publizieren wir Fachartikel zu einzelnen Projekten mit besonders interessanten neuen Erkenntnissen. Dabei arbeiten MTZ/ATZ und FVV seit vielen Jahren erfolgreich zusammen.

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