Fakultät Maschinenbau
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Increasingly stringent emission limits have made particulate filters necessary for gasoline engines. Similar to diesel applications, gasoline particulate filters (GPFs) can be monitored by differential pressure measurement or by the radio-frequency-based filter diagnosis (RF sensor). In addition to measuring the soot loading, ash detection is critical for monitoring the GPF over the entire vehicle lifetime. Because the RF sensor detects the filter loading through a change in the dielectric properties of the GPF, it can detect not only soot but also ash. In diesel applications, the RF sensor has already demonstrated its potential for ash detection. To verify the feasibility of simultaneous ash and soot monitoring for GPFs, filters were loaded with ash on an engine test bench and measured on a lab test bench under defined synthetic exhaust gas conditions. By evaluating resonant modes, soot and ash could be clearly distinguished, as ash mainly affects the resonant frequency, while soot also changes the quality factor due to its high dielectric losses. However, higher soot loadings could not be detected by the resonant parameters, but instead by a frequency-averaged transmission signal. While the presence of ash caused an offset in this signal, its sensitivity to soot was not affected. Thus, the influence of ash can be corrected if the signal in the soot-free filter state is known, e.g., from the behavior of the resonant parameters. Therefore, even with a continuously increasing ash loading over the lifetime of a vehicle, an accurate soot detection is possible with the RF sensor.
Combined Ash and Soot Monitoring in Gasoline Particulate Filters with a Radio-Frequency-Based Sensor
(2022)
In recent years, it turned out that primarily the number of ultrafine particles and not their mass is relevant in terms of harmful health effects. Therefore, exhaust emission standards are constantly being tightened with regard to the particulate number. To meet the emission limits, particulate filters have become necessary for gasoline engines. Similar to diesel applications, gasoline particulate filters (GPFs) can be monitored via differential pressure measurement or via a radio-frequency approach (RF-sensor). The latter is based on the influence of the soot conductivity on the electromagnetic field. To control the GPF, ash detection is of crucial importance besides the soot load monitoring. With the differential pressure system, this is only possible with high uncertainties due to the low pressure increase caused by ash. The RF-sensor, however, has already demonstrated its potential for ash detection in diesel applications. In order to verify the applicability of the system for GPFs, filters were loaded via a method for fast ash loading. Thereby, it was shown that by evaluating resonant modes – especially the resonant frequency – the ash loading can easily be measured as long as the filter is soot-unloaded. In contrast, soot loading can be determined independently from this by considering a frequency-averaged transmission signal between the antennas of the RF-sensor. Using a setup for radio-frequency material characterization, the dielectric parameters of the generated ash were also measured. In comparison with the properties of the synthetic soot PrintexU, ash showed significantly lower dielectric losses. Thus, the evaluation of the loss-dependent quality factor, which is only possible at low soot loadings, allows a precise conclusion whether the filter is completely soot-free. Furthermore, using synthetic soot loading, it could be shown that soot detection via the averaged transmission signal is not affected by ash. In summary, it could be shown that with the RF-sensor, ash and soot can be simultaneously detected.
Schlussbericht zum Verbundvorhaben NAMOSYN: Nachhaltige Mobilität durch synthetische Kraftstoffe
(2023)
Im Labor für Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlung der OTH-Regensburg sollten im Zuge des NAMOSYN-Projektes zwei Vertreter klimaneutraler Kraftstoffe an verschiedenen Systemprüfständen (Motor-, Einspritzprüfstand, optisch zugängliche Einspritzkammer, …) und mit Hilfe von Simulationsmethoden für den Einsatz in bestehenden Verbrennungsmotoren untersucht werden. Synthetische Kraftstoffe aus der Gruppe der Oxymethylenether (OME) stellen eine CO2-neutrale Alternative zu fossilem Dieselkraftstoff dar. Für Ottomotoren wurde untersucht, ob der synthetische Kraftstoff DMC/MeFo (Dimethylcarbonat & Methylformiat) einen Ersatz für Ottokraftstoff darstellen kann, bzw. eine Drop-In-Fähigkeit gegeben ist.
Die OTH Regensburg bearbeitete 2 unabhängige Teilvorhaben zur motorischen Testung von synthetischen Kraftstoffen: „FC 1A: Motorische Testung von OME“ und „FC 2: Untersuchung von C1-Oxygenaten für Ottomotoren“. Die Projektlaufzeit betrug 3,5 Jahre, inkl. kostenneutraler Verlängerung um 6 Monate aufgrund der Corona-Pandemie.
Im FC1A "AP2-Nachrüstung Dieselmotoren" der OTH Regensburg lag der Fokus auf der Erforschung der Potentiale und der Umrüstung eines Einzylinder-Dieselmotors mit Pumpe-Leitung-Düse-(PLD)-Einspritzsystem des Projektpartners Motorenfabrik Hatz GmbH und Co. KG für OME-Betrieb.
Im AP2.1 wurden umfangreiche Daten gesammelt und Simulationsmodelle des Motors und PLD-Einspritzsystems erstellt und mit Dieselkraftstoff und OME validiert. Nachfolgend wurden Parameterstudien zur Geometrie des Einspritzsystems und der physikalischen Eigenschaften von OME durchgeführt.
In AP2.2 und AP2.3 wurden umfangreiche Untersuchungen an einem Motor- und Einspritzsystemprüfstand mit Diesel und OME durchgeführt und der Steuergerätedatensatz für den OME-Betrieb optimiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Umstellung des Kraftstoffs auf OME, insbesondere bei einfachen Motoren mit rudimentärer Einspritztechnik und ohne Mittel zur NOx-Reduzierung (keine AGR oder SCR), ein enormes Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrads bei gleichzeitiger Reduzierung aller regulierten Schadstoffe (NOx, 𝑃N, 𝑃M, CO und 𝑉OC) eröffnet. Die Ergebnisse und generierten Simulationsmodelle unterstützen eine schnelle Serienentwicklung und Einführung von OME-Umrüstlösungen.
In FC 2 werden die vielversprechenden Kraftstoffe Methylformiat (MeFo) und Dimethylcarbonat (DMC) motorisch getestet. Untersuchungen am Kraftstoffsystem und wichtigen Komponenten dienen als Grundlage für das AP3.
Im AP3 wird die Machbarkeit der DMC/MeFo-Verbrennung am Vollmotor demonstriert und die erwarteten Emissionsvorteile gegenüber herkömmlichen Ottokraftstoffen gezeigt. Abweichend von der ursprünglichen Planung werden an der OTH Regensburg Kraftstoffblends aus Benzin und MeFo untersucht, um den Einsatzbereich des Kraftstoffs zu erweitern.
In AP5 werden potentielle Mischungsverhältnisse analysiert und die Eigenschaften der ausgewählten Kraftstoffmischungen an einem Einspritzratenprüfstand, an der Einspritzkammer und am Vollmotor untersucht. Es werden Einspritzverhalten, Gemischaufbereitung und Abgasemissionen bewertet.
Zudem wird eine Kraftstoffmischanlage entwickelt und ein optischer Zugang am Vollmotor ermöglicht. Eine Ölverdünnungsmesstechnik wird eingesetzt, um den Kraftstoffeintrag ins Motoröl zu untersuchen
Owing to increasingly stringent emission limits, particulate filters have become mandatory for gasoline-engine vehicles. Monitoring their soot loading is necessary for error-free operation. The state-of-the-art differential pressure sensors suffer from inaccuracies due to small amounts of stored soot combined with exhaust gas conditions that lead to partial regeneration. As an alternative approach, radio-frequency-based (RF) sensors can accurately measure the soot loading, even under these conditions, by detecting soot through its dielectric properties. However, they face a different challenge as their sensitivity may depend on the engine operation conditions during soot formation. In this article, this influence is evaluated in more detail. Various soot samples were generated on an engine test bench. Their dielectric properties were measured using the microwave cavity perturbation (MCP) method and compared with the corresponding sensitivity of the RF sensor determined on a lab test bench. Both showed similar behavior. The values for the soot samples themselves, however, differed significantly from each other. A way to correct for this cross-sensitivity was found in the influence of exhaust gas humidity on the RF sensor, which can be correlated with the engine load. By evaluating this influence during significant humidity changes, such as fuel cuts, it could be used to correct the influence of the engineon the RF sensor.
Product sounds with clearly audible tonal components are often perceived as unpleasant or annoying. If different simultaneously operating aggregates are present in a system, for example vehicle engines and gearboxes, the interaction of tonal components, similar to music, can evoke additional sensations in human auditory perception. Supplementary to a pronounced tonality, such sounds can also yield distinct degrees of consonance or dissonance between tones. Previous studies showed that the perceived dissonance had a high impact on preference judgements for sounds with similar tonality. In experiments of the present study, sounds that differed in tonality were rated with respect to the auditory sensations sharpness, tonality and dissonance by one group of participants while another group only carried out a preference task. Thereout a model for predicting perceived preference is derived from the subjective judgements of auditory sensations. The performance of the preference predictions based on subjective udgements will be compared against purely model-based predictions using different algorithms for acoustic attributes.
Produkt- bzw. Maschinengeräusche mit deutlich hörbaren tonalen Komponenten werden häufig als lästig empfunden. Wenn zusätzlich eine Interaktion mehrerer tonaler Komponenten in Geräuschen stattfindet, was in realen Szenarien beispielsweise durch die Überlagerung tonaler Komponenten durch verschiedene Aggregate, wie Motoren und Getrieben, stattfindet, dann können Geräusche unterschiedlich tonal, aber auch unterschiedlich konsonant und dissonant wahrgenommen werden. Vorangehende Hörexperimente haben gezeigt, dass die Dissonanz bei ähnlicher Tonhaltigkeit der Geräusche einen großen Einfluss auf die Präferenzurteile hat. Des Weiteren konnte bereits ein grundlegendes Empfindungsmodell für die ”Dissonanz” sowie ein Präferenz-Prädiktor entwickelt werden, die die Subjektivdaten in hoher Güte vorhersagen konnten. In den hier vorgestellten Versuchen wurde das Zusammenspiel zwischen der empfundenen Tonhaltigkeit und der sich aus mehreren Tonkomponenten ergebenden Dissonanz auf die Präferenzurteile untersucht. In der Analyse wird aufgezeigt, auf welche Weise und in welchem Umfang die wahrgenommene Ausgeprägtheit der Tonhaltigkeit durch Interaktion mehrerer Tonkomponenten die allgemeine Geräuschqualität beeinflusst. Da verschiedene Grade der Dissonanz nur durch die gleichzeitige Anwesenheit tonaler Komponenten entstehen können, ist das Zusammenspiel beider Größen bei der Bildung eines Präferenzurteils von einer speziellen Natur. Dies wird sowohl bei der Modellierung der Interaktion beider Größen als auch im Vorhersagemodell der Dissonanz berücksichtigt.
Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung besteht beim Kaltstart, den Warmlaufphasen und auch durch den Einfluss anderer Parameter wie z. B. des Einspritzzeitpunkts oder des Einspritzdrucks die Problematik, dass Kraftstoff an die Zylinderlaufbahn aufgetragen wird und sich mit dem Motoröl vermischen kann. Eine Verstärkung dieses Kraftstoffauftrags ist unter anderem der Verschiebung der Motorbetriebspunkte zu höheren Mitteldrücken und damit einem Wirkungsgrad optimaleren Betrieb geschuldet. Eine Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Motoröls durch die Verdünnung mit Kraftstoff ist die Folge. Durch die Verringerung der Viskosität des Motoröls kann es zu einer verminderten Schmierwirkung des Öls kommen, die im schlimmsten Fall zur Schädigung des Motors führt. Existierende Offline-Analysemethoden die zeitintensive Laboranalysen nach sich ziehen, als auch Online-Messverfahren die nicht den technischen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und einer kurzen Messdauer entsprechen, stellen aktuell die einzigen Messmethoden zur Bestimmung der Schmierölverdünnung dar. Durch neue Entwicklungstrends bei Ottomotoren ist es jedoch unbedingt notwendig, die Mechanismen des Kraftstoffein- und -austrags in das und aus dem Motoröl genauer zu untersuchen. Mit der an der OTH Regensburg neu entwickelten Messtechnik wurde eine Vorgehensweise erarbeitet, mit der die zeitlichen Verläufe des Kraftstoffein- und -austragsverhaltens bei Ottomotoren quantitativ in kurzer Zeit bestimmt und optimiert werden können.
Especially at cold start and the warm-up operation GDI engines have an issue with oil dilution. Parameters such as injection timing and injection pressure impact the entry of fuel in the engine oil as well. With the adjustment of engine operating points to higher mean effective pressures resulting in downsizing concepts also an additional increase of fuel entry occurs. Fuel gets into the oil pan and is mixed with the engine oil so that the physical and chemical properties of the engine oil are changed. With the reduction of engine oil viscosity due to fuel entry a reduced lubricating effect can be caused. In the worst case damage to the engine occurs, To determine oil dilution online and offline measurement methods exist. A rather long analysis time in the laboratory is a disadvantage of the offline methods. Online methods are not correlating with technical requirements in terms of accuracy and a short measurement time. New trends in the development of gasoline engines require investigations of fuel in oil sorption and desorption processes. A new measurement technique which is developed at the OTH Regensburg enables to determine quantitative fuel in oil sorption and desorption processes. With this technique a procedure was generated to measure the oil dilution at gasoline engines and optimize them in a short time.
Beitrag und Praesentationsmaterial eines Vortrags ueber differenzierende Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszustaenden. Mit einem neu entwickelten, hochgenauen HC-Sensor werden unverbrannte HC im Abgas untersucht. Die differenzierende Untersuchung erfolgt an einem Massenspektrometer, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Die Molekuele Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Es zeigt sich, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Haelfte der gesamten HC Konzentration ergeben. Ein weiterer Punkt ist die Regeneration des Dieselpartikelfilters.
Differenzierte Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszuständen
(2014)
Die für Dieselfahrzeuge gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte bezüglich der Schadstoffkomponenten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid können nur durch den Einsatz eines Diesel-Oxidationskatalysators erfüllt werden. Um erhöhte Emissionen infolge eines geschädigten Katalysators zu vermeiden, gilt es, dieses abgasrelevante Bauteil auch während des Betriebes zu überwachen. Die zukünftigen gesetzlichen Anforderungen an die Überwachung erfordern ein Verfahren das eine zuverlässige und hochgenaue Diagnose zulässt. Deshalb entwickelt eine Forschungsgemeinschaft aus Industrieunternehmen und Hochschulen einen neuartigen Kohlenwasserstoffsensor zur hochgenauen Analyse von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgasstrang. Hierfür ist die Kohlenwasserstoffzusammensetzung des Dieselabgases bei verschiedenen Motorbetriebszuständen zu ermitteln. Zur differenzierten Untersuchung der Kohlenwasserstoffkomponenten wurde in der Arbeit ein Massenspektrometer eingesetzt, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Anhand eines Abgasscreenings konnte eine Reihe von Kohlenwasserstoffen (Alkane, Alkene, Alkine, Alkadiene und aromatische Kohlenwasserstoffe) identifiziert werden, die typisch für das Dieselabgas stehen. Die Moleküle Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Hälfte der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration ergeben. Ein weiterer Punkt der Untersuchungen war die Diesel-Partikelfilter-Regeneration. Wie erwartet, lassen sich Kohlenwasserstoffmoleküle mit höheren Massen feststellen, die auf unverbrannten Dieselkraftstoff zurückzuführen sind. Anhand der Ergebnisse zeigte sich.dass sich das mit chemischer Ionisation arbeitende Massenspektrometer hervorragend für ein Abgasscreening eignet. Zahlreiche Kohlenwasserstoffe konnten identifiziert werden, die repräsentativ für das Dieselabgas stehen. Es sollten Moleküle bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen untersucht werden, die einen möglichst großen Anteil an der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration besitzen. Die Auswahl fiel aufgrund der gemessenen Massenspektren, vor und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, auf die Komponenten Ethin, Ethen und Propen. Zudem kann bei diesen Molekülen eine Masseninterferenz mit anderen Abgaskomponenten ausgeschlossen werden. Im unteren Teillastbereich und kaltem Motor machen diese Kohlenwasserstoffe bis zu 50%, gemittelt über alle Messstellen vor, im und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration aus. Bei betriebswarmem Motor reduziert sich ihr Anteil auf ein Drittel Die höchste Konzentration unter den drei Komponenten besitzt dabei Propen. Mit steigendem Drehmoment nimmt der Anteil dieser drei Komponenten fortlaufend ab,was dafür spricht, dass Moleküle mit höheren Massen einen höheren Anteil einnehmen. Die Kohlenwasserstoff-Emissionen bewegen sich bei diesen Motorbetriebspunkten mit betriebswarmem Katalysator jedoch bereits bei sehr niedrigen Werten. Während der untersuchten Diesel-Partikelfilter-Regeneration mit späten Nacheinspritzungen zur Abgastemperaturerhöhung lassen sich Moleküle mit höheren Massen nachweisen. Diese sind typisch für die Reinkomponente Dieselkraftstoff. Der Anteil von Ethin, Ethen und Propen an der THC-Konzentration beträgt dann ca. 40%.
Non-road sectors, such as agriculture and construction machinery, require high energy densities and flexibility in use, which is why diesel engines are mainly used. The use of climate-neutral fuels, produced from renewable energies, such as Oxymethylene Ether (OME) as a diesel substitute, can significantly reduce CO2 and pollutant emissions in these sectors. In addition to CO2 neutrality, OME also offers improved combustion characteristics compared to diesel fuel, eliminating the soot–NOx trade-off and thus enabling new opportunities in engine design and calibration. In this paper, the combustion of pure OME on a close-to-production, single-cylinder non-road diesel engine with a pump–line–nozzle injection system is analyzed. A variation of the center of combustion at constant power output was performed for diesel and OME at different operating points. Two injectors were investigated with OME. A study on ignition delay and a detailed thermodynamic analysis was carried out. In addition, the exhaust emissions CO, NOx, VOC, as well as particulate-matter, -number and -size distributions were measured. With OME, a significantly shorter ignition delay as well as a shortened combustion duration could be observed, despite a longer injection duration. In addition, the maximum injection pressure increases. VOC and CO emissions are reduced. Particulate matter was reduced by more than 99% and particle number (>10 nm) was reduced by multiple orders of magnitude. The median of the particle size distribution shifts from 60 to 85 nm (diesel) into a diameter range of sub 23 nm (OME). A significant reduction of NOx emissions with OME enables new degrees of freedom in engine calibration and an efficiency advantage without hardware adaption.
Recent developments in exhaust gas legislation make it necessary to focus the research at the particulate emissions from gasoline engines and technologies for their reduction. In addition to the particulates resulting from the combustion of the fuel, the oil emissions represent another possible source for particulate emissions. This paper presents a measurement method which can be used to quantify stationary as well as dynamic oil emissions of gasoline engines. Furthermore, the correlation between the oil emissions and the particulate emissions is the focus of the investigations. Conventional methods for the determination of the oil emissions, such as the gravimetric and the volumetric measurement, are unsuitable since they require long engine operation times to provide useful results. These methods therefore do not allow a fast online measurements during the dynamic operation. For this reason, a new measuring method was used, which allows for a time-resolved online measurement of the oil emissions. This measurement method is based on the sulfur tracer method, which uses the sulfur that is naturally contained in the engine oil as a tracer. The sulfur concentration in the exhaust gas is determined by using an Ion-Molecule-Reaction mass spectrometer. The determination of the particulate emissions corresponds to the PMP regulation. The studies carried out under steady state and dynamic conditions show a clear correlation between the oil consumption and the number of particulates in the exhaust gas. In the case of the dynamic measurements it could also be shown that time-resolved measurements of the oil consumption are possible with the used measurement setup. In addition, it was shown that the number of particulates does not influence the measurement of the SO2-concentration. Furthermore, the different effects of burned and unburned oil emissions have been evaluated by the dosing of the oil into the exhaust gas. The overall conclusion of the measurements shows a strong influence of the oil emissions on the particulate emissions. Therefore, it is crucial to reduce the oil emissions. Possible approaches for this reduction can be improved turbocharger sealing concepts, new piston ring designs or more efficient oil separators for the crankcase ventilation system.
Motorische Untersuchung einer Doppelstromturbine bei gezielter Variation von Einflussparametern
(2018)
Um die Leistungsmerkmale moderner Ottomotoren, hohe Nennleistung bei niedrigem Kraftstoffverbrauch einerseits und hohes Low End Torque bei dynamischem Ansprechverhalten andererseits, zu erreichen, stehen Abgasturbolader mit verschiedenen Turbinentypen zur Verfügung. Dabei wird zwischen den Ausführungen ein- und mehrflutige Turbine unterschieden. Je nach geometrischer Ausführung der Flutentrennung wird bei den mehrflutigen Turbinen zwischen den Bauformen Zwillingsstrom- und Doppelstromturbine differenziert.
Beim Kauf eines Pkw wird der akustische Qualitätseindruck eines Fahrzeugantriebstrangs stetig relevanter. Die wahrgenommene Geräuschqualität des Motoraggregates nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein. Aufgrund der Ausprägung einzelner Störgeräusche wird jene Geräuschqualität negativ beeinflusst. Diese als unangenehm empfundenen Geräuschkomponenten gilt es im Rahmen der Fahrzeugentwicklung
weiter zu reduzieren, wobei die Identifikation und Bewertung störender Geräuschanteile am Motorgesamtgeräusch Voraussetzungen für eine effektive Akustikoptimierung sind. Vor allem das impulshafte Tickergeräusch wird bei Otto-DI-Motoren als besonders lästig eingestuft, weswegen dieser Beitrag darauf abzielt, die tickernden Geräuschanteile aus dem Gesamtgeräusch zu analysieren und zu bewerten. Hierzu wurde eine empirische Formel entwickelt, welche die tickernden Geräuschanteile in ihrer Intensität in Grenzen einstufen kann. Diese ist rein empfindungsbasiert und besteht aus der Impulshaftigkeit, der Lautheit sowie der Schärfe des Motorgesamtgeräusches.
Wie auch bei anderen psychoakustischen Bewertungsskalen wurde die Benotung von 1 (sehr tickernd) bis 10 (nicht tickernd) vorgenommen. Anhand von Hörversuchen mithilfe einer Expertenjury konnte die Tickergeräuschbewertungsformel anschließend verifiziert werden. Hiernach kann präzise ausgesagt werden, in welchen Motorkennfeldbereichen das Tickergeräusch die Angenehmheit des Motorgesamtgeräusches untergräbt.