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SYSTEMENTWICKLUNG FÜR ZUKÜNFTIGE PKW-DIESELMOTOREN Mahle hat sich mit dem Aufbau eines voll indizierten, modernen Pkw-Dieselmotors die Basis geschaffen, aktuelle und zukünftige Technologien systematisch untersuchen zu können. Der Versuchsträger verfügt über eine integrierte Hoch- und Niederdruck-AGR-Strecke sowie ein frei programmierbares Motorsteuergerät und ermöglicht somit effiziente Entwicklungen neuer Systeme unter realen Bedingungen. Am Beispiel der untersuchten AGR-Techniken werden nachfolgend die Vorteile dieses gesamtheitlichen Ansatzes vorgestellt. INDUSTRIE ABGASRÜCKFÜHRUNG 700

Systementwicklung für zukünftige Pkw-Dieselmotoren

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Page 1: Systementwicklung für zukünftige Pkw-Dieselmotoren

SYSTEMENTWICKLUNG FÜR ZUKÜNFTIGE PKW-DIESELMOTORENMahle hat sich mit dem Aufbau eines voll indizierten, modernen Pkw-Dieselmotors die Basis

geschaffen, aktuelle und zukünftige Technologien systematisch untersuchen zu können.

Der Versuchsträger verfügt über eine integrierte Hoch- und Niederdruck-AGR-Strecke sowie

ein frei programmierbares Motorsteuergerät und ermöglicht somit effiziente Entwicklungen

neuer Systeme unter realen Bedingungen. Am Beispiel der untersuchten AGR-Techniken

werden nachfolgend die Vorteile dieses gesamtheitlichen Ansatzes vorgestellt.

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MOTIVATION

Primär sind die Forderungen nach Verbesserung der Energieeffi-zienz (ACEA 2012) und Reduzierung des Schadstoffausstoßes (Euro 6 ff.) Ursache für einen weiteren Anstieg der Komplexität moderner Dieselmotoren. Um bei der Vielzahl an Bauteilen bezie-hungsweise Baugruppen und deren Wechselwirkungen unterei-nander eine optimale Abstimmung realisieren zu können, ist die gesamtheitliche Betrachtung des Systems Dieselmotor notwen-diger denn je. Nachfolgend werden am Beispiel unterschiedlicher AGR-Techniken sowohl die Potenziale des Entwicklungswerk-zeugs „Motorprüfstand“, als auch die von verschiedenen Systemen zur weiteren Reduktion der Schadstoffemissionen und des Kraft-stoffverbrauchs aufgezeigt.

VERSUCHSAUFBAU

Die Basis der Untersuchungen bildet ein moderner, voll indi-zierter Vierzylinder-Common-Rail-Dieselmotor mit VTG-Abgas-turboaufladung, gekühlter Hochdruck-AGR, Oxidationskatalysa-tor und Partikelfilter, .

Zur Potenzialanalyse unterschiedlicher AGR-Konzepte wurde zusätzlich eine gekühlte Niederdruck-AGR-Strecke verbaut, . Die permanent applizierte Abgasmesstechnik wird zur Erfassung des stationären und transienten Emissionsverhaltens genutzt.

Ferner wurde anstelle der Dieselregelklappe das schnellrotie-rende Ladeluftventil SLV von Mahle in die Ladeluftstrecke ver-baut, welches synchron zur Kurbelwellendrehzahl die Ladeluft-leitung verschließt und öffnet. Die zugehörige SLV-Elektronik sorgt dabei für die Synchronisation des Schließzeitpunktes rela-tiv zum Motorarbeitsspiel (kurz „Phasenlage“, ). Infolge der temporären Absenkung des Ladeluftdrucks im SLV-Betrieb ergibt sich eine Erhöhung des negativen Spüldruckgefälles und somit der Abgasrückführrate [1].

MOTORSTEUERGERÄT

Zur effizienten Systementwicklung sind die folgenden zentralen Anforderungen an eine Motorsteuerung zu stellen:

stationärer und transienter Betriebfreier Zugriff auf alle Aktuatoren und Sensorenflexible Einbindung neuer SystemeUnabhängigkeit von OEMs und Steuergeräteherstellern.

Mit der Mahle-Flexible-ECU werden diese Forderungen optimal erfüllt. Das System basiert auf der AFT-Protronic-Steuergeräteplatt-form [2]. Die zugehörige Software-Werkzeugkette ermöglicht dabei die schnelle und flexible Codegenerierung aus Simulink-Funktions-modellen, wobei die Komponenten der Funktionsebene eine Eigen-entwicklung sind. Bei der Dieselanwendung wird – analog zur

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PATRIC GENIESER ist Projektleiter Zentrale

Vorausentwicklung bei der Mahle International GmbH in Stuttgart.

DR. ALFRED ELSÄSSER ist Leiter Versuch Zentrale

Vorausentwicklung bei der Mahle International GmbH in Stuttgart.

DR. DAVID GURNEY ist Projektleiter Simulation,

Forschung und Entwicklung bei Mahle Powertrain Ltd. in

Northampton (Großbritannien).

DR. MARCO WARTH ist Leiter Dieselmotorenentwicklung,

Forschung und Entwicklung bei Mahle Powertrain Ltd. in

Northampton (Großbritannien).

AUTOREN

LITERLEISTUNG [kW/l] 50

HUB- / BOHRUNGSVERHÄLTNIS [-] 1,18

VERDICHTUNG [-] 16,5

ABGASNORM [-] Euro 5

Technische Daten Versuchsmotor

70171. Jahrgang10I2010

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Serie – eine Drehmomentstruktur verwen-det. Zusätzlich ist ein zylinderdruckbasier-tes Regelkonzept in der Entwicklung. Das charakteristische Motorverhalten der Serie wird im gesamten Betriebsbereich nachge-bildet. Integrierte Applikationsschnittstel-len ermöglichen die direkte Ansteuerung der einzelnen Aktuatoren. Diagnosefunk-tionen mit flexibler Fehlerbehandlung bis zum motorischen Notlaufbetrieb, sowie die Partikelfilterregeneration mit Beladungs-modell und Temperaturregelung sind Bei-spiele für über die Verbrennungsregelung hinaus gehende, bereits implementierte Funktionen.

SIMULATION UND ANALYSE

Um die Potenziale unterschiedlicher Tech-nologien untersuchen zu können, ohne

kosten- und zeitintensive Messungen durchzuführen, sowie zur Unterstützung der Analyse bei Versuchen, wurde ein kom-plettes Motormodell in einem 1D-Simula-tionsprogramm abgebildet und kennfeld-weit validiert. Ergänzt um ein integriertes Verbrennungsmodell, ermöglicht dies prä-diktive Aussagen zum Motorverhalten und den Emissionen. Wie der beispielhafte Ver-gleich der dynamischen Druckverläufe von Niederdruck- und Hochdruckindizierung zeigt, ), korreliert das Modell sowohl qua-litativ als auch quantitativ sehr gut mit den Versuchsdaten.

Die versuchsbegleitende Auswertung und Analyse der gemessenen Daten mit-tels Ladungswechsel- und Brennverlaufs-analysen ist ein effizientes Mittel zur Interpretation der Ergebnisse, kann man damit doch beispielsweise den Einfluss

höchster AGR-Raten auf die Verbrennung und Emissionen beschreiben.

AGR-TECHNIKEN

Treibend für die externe Rückführung von Abgas ist das motorische Spüldruckgefälle. Ist dieses negativ, strömt bei geöffnetem AGR-Ventil Abgas in den Frischluftpfad zu-rück. Um auch künftige NOx-Emissions-grenzwerte innermotorisch darstellen zu können, muss das in weiten Bereichen des NEFZ bestehende negative Spüldruckgefälle weiter angehoben werden. Prinzipiell kann dies für die gekühlte Hochdruck-AGR durch Anheben des Abgasgegendrucks (zum Bei-spiel VTG-Steller) oder durch Absenken des Ladedrucks (zum Beispiel Dieselregel-klappe) erfolgen. Um die Verluste durch eine konstant drosselnde Dieselregelklappe zu minimieren, ersetzte diese bei den hier aufgeführten Versuchen ein SLV.

Wie exemplarisch für den Betriebpunkt 1 (BP1: 3,2 bar Mitteldruck bei 1500/min) aufgeführt, wurden zur innermotorischen Darstellung der Euro 6 NO

x-Engineering Targets – mittels Mahle Flexible ECU und statistischer Versuchsplanung – die SLV-Phasenlage, VTG-Position, sowie Einspritz-zeitpunkt und -druck optimiert, . Die gesamtheitliche Optimierung führte dabei neben der Minderung des NOx-Ausstoßes auch zu einer Verbesserung des Kraftstoff-verbrauchs und der Partikelemissionen (PM).

Die Verminderung der NOx-Emissionen kann dabei primär auf zwei durch das SLV hervor gerufene Phänomene zurück-geführt werden. Das temporäre Druckge-fälle, welches durch das rotierende SLV

Versuchsaufbau mit SLV und gekühlter HD- und ND-AGR

Funktionsprinzip SLV

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erzeugt wird, führt zu einer Steigerung der AGR-Rate. Zusätzlich senkt sich der Zylinderdruck bei Einlassschluss („Miller-Zyklus“). Beide Phänomene zusammen führen zu einer Abnahme des Zylinder-spitzendrucks und damit auch der NOx-Emissionen, . Die kombinierte Nutzung dieser innermotorischen Maßnahmen ist dabei der Schlüssel zum Erreichen der Euro-6-Zielwerte im gesamten NEFZ-rele-vanten Motorbetriebsbereich.

Zur Potenzialanalyse von HD- und ND-AGR-Systemen, sowie Kombinationen aus beiden, führte Mahle identische Versuchs-reihen an charakteristischen Betriebspunk-ten innerhalb des Motorkennfeldes durch. Nachfolgend sind jeweils die Ergebnisse von drei exemplarischen Betriebspunkten (BP) dargestellt, welche charakteristisch für die unterschiedlichen Lastbereiche eines modernen Dieselmotors sind:

BP1 – Schwachlastbereich: 3,2 bar Mit-teldruck bei 1500/min (NEFZ) BP2 – mittlerer Lastbereich: 6,4 bar Mit-teldruck bei 2000/min (NEFZ)BP3 – volllastnaher Lastbereich: 19,2 bar Mitteldruck bei 2000/min (US06).

Bei den Versuchsreihen kam der in dar-gestellte Versuchsaufbau zur Anwendung, das heißt das gekühlte HD-AGR-System umfasste auch ein SLV. Für die ND-AGR fand ein System aus der Serie Anwendung. Beim Betrieb mit kombinierter AGR sind das ND-AGR-Ventil komplett zu öffnen und – über die Abgasgegendruckklappe – die NOx-Zielwerte einzustellen. Anschlie-ßend wird die ND-AGR-Rate über die kon-tinuierliche Öffnung der Abgasgegendruck-klappe gesenkt, sowie zeitgleich über die Wahl einer entsprechenden SLV-Phasen-lage der Anteil an HD-AGR zur Darstel-lung der NOx-Zielwerte gesteigert, .

Im niedrigen Lastbereich ergeben sich für die reine HD-AGR Vorteile hinsichtlich Kraftstoffverbrauch bei gleichen NOx- und Partikelemissionen (PM). Die ND-AGR weist hier aufgrund der erforderlichen Anhebung des Abgasgegendrucks und der damit ver-bundenen erhöhten Ladungswechselarbeit, einen signifikanten Mehrverbrauch auf. Ein weiterer Vorteil der HD-AGR liegt in den höheren Ansaugtemperaturen begründet, wirkt sich doch die Beimischung von warmem Abgas bei niedrigen Lasten posi-tiv auf die Verbrennung aus.

Für den mittleren Lastbereich ergibt sich für niedrige NO

x-Emissionen ein zunehmen-der Vorteil bezüglich Kraftstoffverbrauch

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und Partikelausstoß für die ND-AGR, wel-cher sich auch im Gradienten des Trade-Offs von HD- beziehungsweise ND-AGR zeigt. Kombiniert man allerdings beide AGR-Systeme, so ergibt sich ein Kraftstoff-vorteil bei konstanten NOx- und PM-Emissionen.

Der Vergleich der Systeme bei hohen Lasten zeigt deutliche Vorteile für die ND-AGR. Aufgrund des großen Spüldruckge-fälles im volllastnahen Bereich kann ohne zusätzliche Aufstauung das Abgas rückge-führt werden. Der thermodynamische Vor-

teil der ND-AGR liegt dabei darin, dass der Turbine keine Enthalpie entzogen wird und dadurch immer der maximal mögliche Ladedruck zur Verfügung steht. Weiterhin wird das rückgeführte Abgas zweimal gekühlt, . Die zusätzliche Leitungslänge des Luftpfades wirkt sich positiv auf die Homogenisierung und somit die AGR-Gleichverteilung aus.

Auf Basis der hier vorgestellten Unter-suchungen ergibt sich somit folgende Empfehlung für die unterschiedlichen AGR-Technologien: Mit innermotorischen

Druckverlaufskorrelation

Die Brennstoffzelle10. Forum für Produzenten und Anwender

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27.–28.9.2010Stuttgart

Haus der Wirtschaft

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70310I2010 71. Jahrgang

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Maßnahmen hat ein kombiniertes AGR-System das größte Potenzial zur Darstel-lung der Euro 6 und US-Tier 2-Emissions-vorschriften, .

VENTILTRIEBSVARIABILITÄTEN

Wie aus der Literatur bekannt [3, 4, 5], kann man mittels Variabilitäten im Ventil-trieb ebenfalls Emissionen senken. Hierbei stehen insbesondere die Partikel- und Stick-oxidemissionen im Fokus. Erstere können durch eine gezielte Optimierung der Ladungsbewegung – analog zur Drall-klappe – dank besserer Gemischhomoge-nisierung verringert werden. Die Funktion der Drallklappe wird dabei durch die Varia-bilitäten im Ventiltrieb übernommen. Eine Anpassung der Einlassventilsteuerzeiten analog frühem beziehungsweise spätem Einlassschluss („Miller-/Atkinson-Zyklus“) senkt primär die NO

x-Emissionen. Die Ver-ringerung des effektiven Verdichtungsver-hältnisses im Zylinder wird dabei prozess-technisch auf den Verdichter ausgelagert, womit sich geringere Verdichtungsendtem-peraturen und damit auch Stickoxidemis-sionen realisieren lassen.

Mahle kann hierfür auf eine Technologie zurückgreifen, welche schon bei Ottomo-toren in der Serie Einsatz findet: die Cam-In-Cam (CIC) [6, 7]. Bei der CIC werden zwei Nockenwellen ineinander gebaut – innerhalb des Bauraums einer Nockenwelle. Die Außenwelle ist ein Rohr mit feststehen-den Nocken. In diesem Rohr befindet sich eine Innenwelle, die mit verstellbaren Nocken auf dem Außenrohr über Stifte ver-bunden ist. Mit einem hydraulischen Pha-sensteller kann die Innenwelle relativ zur

Außenwelle in ihrer Phasenlage verdreht werden. Mit einer einlassseitig verbauten CIC können – über die relative Phasenver-stellung (

CIC) der einzelnen Einlassventile (EV) zueinander – die oben erwähnten Effekte einfach dargestellt werden, . Die CIC wird dabei im vorhandenen Bauraum des Zylinderkopfes integriert.

Simulationsergebnisse zu den mit CIC realisierbaren Drallzahlen, welche hier als

Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit des Dralls zur Kurbelwelle angegeben ist, zeigt . Der zeitliche Verlauf der Drall-zahlen über ein Motorarbeitsspiel zeigt die im Vergleich zu konventionellen Drall-klappen höheren möglichen Drallniveaus mit Einlass-CIC.

GESAMTSYSTEMOPTIMIERUNG

Aus den bisherigen Untersuchungen und den daraus gewonnen Erkenntnissen las-sen sich für zukünftige Dieselmotoren Optimierungsmöglichkeiten für unter-schiedlichste Techniken ableiten. Bei-spielsweise ist es für die Realisierung einer innermotorischen Lösung zur Erfül-lung der Euro-6-NOx-Emissionsgrenz-werte unerlässlich, das gesamte AGR- System mit Aufladegruppe und Abgas-/Frischluftführung zu betrachten. Hierzu zählen neben HD- und ND-AGR-Ventil und -Kühler auch die Einleitgeometrie und der Turbolader, sowie erweiterte Betriebsmodi durch Entwicklung neuer Steuergerätefunktionen.

Mahle untersucht dabei in aktuellen Entwicklungsprogrammen am hier vorge- AGR-Technologien bei charakteristischen Betriebspunkten (BP)

Variation SLV-Phasenlage (BP1)

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stellten Versuchsträger unter anderem fol-gende Optimierungsansätze:

Optimierung der AGR-Strategie – Ein-satz des SLV zur Erfüllung zukünftiger Emissionsanforderungen und zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchshochdynamische Regelung der AGR-Rate im Transientbetrieb – Zyklusselek-tive Anpassung der AGR-Rate Optimierung der Aufladung – Anpas-sung des Laders an höchste AGR-Raten Optimierung von AGR-Ventil und -Küh-ler – Reduktion der Druckverluste in AGR-SystemenOptimierung der Einleitgeometrie zur Verbesserung der AGR-Gleichverteilungzylinderselektive Schwerpunktlagen-regelung mit der Mahle-Flexible-ECULadungswechseloptimierung durch Ventiltriebsvariabilitäten (CIC) – Reduktion der Rohemission und des KraftstoffverbrauchsOptimierung „klassischer“ Motorkom-ponenten (Kolben und Kolbenringe) – Reduktion der Reibleistung und Verbes-serung der Gemischaufbereitung.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Durch den Aufbau eines modernen Diesel-Technologieträgers mit frei programmier-barem Motorsteuergerät konnte Mahle unter anderem innermotorisch die Stick-oxidemissionen auf Euro-6-Niveau senken und dabei die Ruß-Rohemissionen des Basisaggregats (Euro 5) beibehalten. Die beispielhaft aufgezeigte Potenzialanalyse unterschiedlicher AGR-Techniken mit einer Empfehlung für den kennfeldweiten

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AGR-Einsatz, sowie die Untersuchungen zu Ventiltriebsvariabilitäten, zeigen die Vorteile des gesamtheitlichen Ansatzes in der Entwicklung neuer Systeme für modernste Pkw-Dieselmotoren auf.

LITERATURHINWEISE[1] Mahr, B.; Warth, M.; Rückauf, J.; Elsäßer, A.: „Innovatives Abgasrückführsystem zur kosten- und verbrauchseffizienten Erfüllung zukünftiger Emissionsvorschriften“, 30. Wiener Motorensym-posium, 2009, Wien[2] Eckmann, M.: „Prototyping-Platform – jetzt offen für Serienwerkzeuge“, ATZ 02/2009 Jahr-gang 4; S. 40-44[3] Broda, A.; Rieping, M.; Eilts, P.; Elsäßer, A.; Genieser, P.: „Active Air Management with High Speed Flap for DI-Diesel Engines“, SAE Paper 2008-01-1345, 2008[4] Tomoda, T.; Ogawa, T.; Ohki, H.; Kogo, T.; Nakatani, K.; Hashimoto, E.: „Improvement of Diesel Engine Performance by Variable Valve Train System”, 30. Wiener Motorensymposium, 2009, Wien[5] Bression, G.; Baudrand, O.; Pacaud, P.: „Innovative VVA scavenging concept for Diesel engines: A promising way for downspeeding“, SIA Conference Diesel Engines, 2010, Rouen[6] Schneider, F., Lettmann, M.: „Mahle Cam-In-Cam, die neue Lösung für variable Ventilsteuer-zeiten“, Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2007, Aachen[7] Schneider, F.; Kreisig, M., Dingelstadt, R.: „Torqueboost Cam-In-Cam – ein kompaktes System zur Drehmomentsteigerung mittels variabler Auslassöffnungsdauer“, 10. Stuttgarter Symposium, 2010, Stuttgart

AGR-Techniken

Drall in Abhängigkeit des Kurbelwin-kels im BP1

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70510I2010 71. Jahrgang