Energie und Mobilität
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Zünd- und Brennverhalten von Pflanzenölkraftstoff und Übertragung auf einen Motor der Abgasstufe V
(2020)
Durch den Ersatz von Dieselkraftstoff durch Rapsölkraftstoff (R100) können Treibhausgasemissionen reduziert werden. Für einen störungsfreien Betrieb eines Motors mit Rapsölkraftstoff sind jedoch Modifikationen an Motorkomponenten und Motorsteuergerät notwendig, um eine effiziente Verbrennung im Motor zu erreichen.
Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung von Grundlagen zur Auslegung der Motorsteuerung pflanzenöltauglicher Offroad-Motoren mit moderner Abgasnachbehandlung mit anschließender entsprechender Abstimmung der Motorapplikation am Prüfstand. Grundlegende Untersuchungen der physikalischen Prozessabläufe von R100 bei der Einspritzung werden an einem hydraulischen Druckanstiegsanalysator (HDA) und einer Hochdruck-Hochtemperatur-Kammer (HDHT-Kammer) durchgeführt. Unterschiede im Zünd- und Brennverhalten werden in einer Konstantvolumenbrennkammer untersucht. Abschließend werden die Erkenntnisse am Motorenprüfstand auf einen DEUTZ-Motor übertragen, dessen Einspritzsystem auch bei den grundlegenden Untersuchungen verwendet wurde.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Einspritzverhalten von R100 eine höhere Sensitivität gegenüber Kraftstofftemperaturvariationen aufweist als Dieselkraftstoff. Bei niedrigen raftstofftemperaturen sind mit R100 ein längerer Öffnungsverzug und eine geringere Einspritzmenge festzustellen. Um diesen Einfluss bei der Einspritzstrategie zu kompensieren, ist die Kenntnis der Kraftstofftemperatur im Injektor notwendig. Eine weitere Herausforderung stellt die Gemischaufbereitung dar, hier führen unter anderem die höhere Viskosität und höhere Siedetemperaturen von R100 zu einem schmäleren Spritzwinkel und verzögerter Verdampfung im Vergleich zum Dieselkraftstoff. Eine Erhöhung des Einspritzdrucks und höhere Temperaturen und Drücke in der Brennkammer verbessern die Gemischaufbereitung.
Bei Bedingungen von mittlerer und hoher Last ist der Zündverzug von R100 kürzer und das Verbrennungsverhalten ähnlich zum Dieselkraftstoff. Eine geringere Wärmefreisetzung von R100 wird durch den geringeren Heizwert verursacht. Unter Bedingungen von niedriger Last und Motorstart ist ein längerer Zündverzug von R100 im Vergleich zum Dieselkraftstoff festzustellen. Eine Steigerung des Einspritzdrucks und höhere Brennkammerdrücke und -temperaturen führen bei beiden Kraftstoffen zu kürzeren Zündverzügen, der Einfluss dieser Parameter ist jedoch für R100 stärker als für Dieselkraftstoff. Voreinspritzungen führen bei beiden Kraftstoffen zu einer Verkürzung des Zündverzugs der Haupteinspritzung und zu einer geringeren Wärmefreisetzungsrate.
Am Motorprüfstand ist bei gleicher Motorapplikation mit R100 eine geringere Leistung als mit Dieselkraftstoff festzustellen. Nach Angleichung der Motorleistung durch Anhebung der Einspritzmenge von R100 sind im Rohabgas Stickstoffoxid (NOX)- und Kohlenstoffmonoxidemissionen auf gleichem Niveau zu Dieselkraftstoff zu beobachten sowie geringere Partikelemissionen. Unter Verwendung eines DoE Vorgehens kann der Partikel-NOX - trade-off von R100 optimiert und Einstellparameter gefunden werden, in denen sowohl niedrigere NOX als auch niedrigere Partikelemissionen im Vergleich zum Dieselkraftstoff resultieren.
Das installierte Abgasnachbehandlungssystem, bestehend aus einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), Dieselpartikelfilter (DPF) und selektivem katalytischem Reduktionssystem (SCR), arbeitet für beide Kraftstoffe ähnlich und es scheint keine Anpassung der Dosierungsstrategie der wässrigen Harnstofflösung notwendig zu sein. Eine Regeneration des Partikelfilters mit R100 war nach Optimierung der Einstellparameter der Drosselklappe möglich.
Motorkaltstart und Leerlauf sind herausfordernde Betriebsphasen, die für R100 einer weiteren Optimierung bedürfen. Eine Temperierung von R100 im Injektor auf 50–60 °C sowie eine Kompensation der Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur sind mögliche Verbesserungsmaßnahmen. Zudem kann durch einen früheren Einspritzbeginn von R100 das Verbrennungsverhalten angepasst werden. Die Motorprüfstandsuntersuchungen bestätigen qualitativ die Erkenntnisse die mit dem hydraulischen Druckanstiegsanalysator (HDA), der Hochdruck-Hochtemperatur-Kammer (HDHT-Kammer) und der Konstantvolumenbrennkammer gewonnen wurden.
Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die Ergebnisse auf einen baugleichen, in einer mobilen Arbeitsmaschine eingebauten Motor zu transferieren, damit Informationen zur Dauerhaltbarkeit unter realen Bedingungen erhalten werden können. Weiterführende Forschungsarbeiten sind im Bereich der Betriebsphasen des Motorkaltstarts und Leerlaufs mit Rapsölkraftstoff nötig, um einen dauerhaft störungsfreien Betrieb in diesen Betriebsphasen zu erreichen. Die erzielten Erkenntnisse deuten darauf hin, dass hier noch viel Verbesserungspotenzial vorhanden ist.
Tonal components can be regarded as one of the most relevant components for interior sound quality of electric vehicles, especially at low speeds. Sources for these tones are for example the vehicles' drivetrains but also other technical components. Depending on the driving conditions, due to the interaction of various dominant sources, audible tone complexes can occur. Similar to musical intervals, the different frequency ratios within these complexes can result in consonant or dissonant sensations. The strength of this sensation does not only depend on the frequency relation of the tones but also on their relative levels. In this study, different musical intervals were subjectively rated in terms of their specific consonant or dissonant character. Using an adaptive procedure, sound pairs, each consisting of a two-tone signal, where adjusted to equal dissonance by varying the level of the second tone of one of the two-tone signals. Using the same paradigm, also pairs of equal vehicle sound quality were obtained. With these results, it is possible to quantify dissonance, and theinfluence of dissonance on sound quality expressed in terms of level differences of two-tone signals. These results can help to make the concept of dissonance more useful for sound-engineering applications.
In Folge der Verschärfung der gesetzlichen Abgasnormen wurden für direkt-einspritzende Benzinmotoren Partikelfilter notwendig. Zur Beladungsüberwachung können aufgrund stark unterschiedlicher Rahmenbedingungen die aus Dieselmotoren bekannten Systeme, wie dem Differenzdrucksensor, nur eingeschränkt übernommen werden. Ein hochfrequenzbasiertes Verfahren koppelt mittels Antennen elektromagnetische Wellen in das Filtergehäuse ein, deren Ausbreitungsverhalten durch die dielektrischen Eigenschaften des eingelagerten Rußes beeinflusst wird. Hierdurch kann bei Auswertung von Transmissionsdämpfung oder Resonanzfrequenzen die Rußbeladung direkt detektiert werden.
In order to comply with future emission regulations, the use of particulate filters in vehicles with direct injection gasoline engines is essential. The current amount of soot and ash in the filter is calculated by a soot load model in the electronic control unit in combination with a differential pressure sensor determining the pressure drop over the particulate filter. Active regeneration is initiated if the calculated amount of soot or the measured differential pressure is too high. This is associated with additional fuel consumption. An on-board diagnosis for the particulate filter is currently not part of the Euro 6d emission standard. For future exhaust emission standards, on-board diagnosis or active monitoring of the particulate filter is conceivable. One of the benefits of monitoring is the fact that unnecessary active regenerations can be avoided. As a result, there is no additional fuel consumption due to misinterpretations of the amount of soot in the filter. For active monitoring of the particulate filter, a radiofrequency (RF-) sensor, that detects the soot loading of the filter with electromagnetic waves directly, can be used. Such a system has the advantage that by utilizing the filter as a sensor more precise information about the current state of the filter, e.g. a possible damage, can be provided. Worst-case considerations of filter damages, tested at an engine test bench show the advantages which are entailed by a system like that. By means of partial regeneration of the particulate filter it is demonstrated how the remaining amount of soot in the filter can be detected in a better way in comparison to the differential pressure sensor by using the RF-sensor.
A new biofuel concept is developed, enabling the usage of vegetable oils and glycerol derivatives in mixtures with biodiesel. This concept significantly enhances the biodiesel production's profitability and thus strongly contributes to the sustainability of future biofuels. After simple addition reactions with building block chemicals, less hydrophilic glycerol derivatives are obtained, which are compatible with biofuels. Even more, the products of the reactions of glycerol with acetone or butyric acid, referred to as solketal and tributyrin, respectively, lead to promising biofuels in mixtures with rapeseed oil and its biodiesel. Due to their low freezing points, they act as cloud and freezing point depressants, when added to vegetable oil/biodiesel blends. Further, since their viscosity is close to common biodiesel, biofuels containing high amounts of vegetable oil and even more glycerol derivatives than they arise during the biodiesel production can be obtained. Thus, this new class of biofuels enables adaptable compositions depending on the application and also the usage as drop-in fuel without any or just few percent of further additives. After optimising the formulations, ignition delay, exhaust gas recirculation, fuel consumption and combustion process measurements were performed in an unmodified upto-date diesel engine. The experiments showed that the properties of the formulated biofuels are either similar to or even better than diesel. The hydrotropy of the glycerol derivatives in these mixtures enables the potential to implement water into biofuels, so-called hydrofuels, reducing nitrogen oxide emissions and leading to further optimised dropin fuels.
To identify the sound quality of fuel injection systems as a frontloading measure, a system test bench has been developed that simulates the structure and airborne noise emission. The setup of the system test bench includes an assembly of the acoustical relevant engine parts and an encapsulated drive for the high-pressure pump. A specific control unit enables a high variability for the operation strategy of the injection system.
The focus of this study is on the development of a methodology to analyze and optimize the sound quality of gasoline direct injectors in critical operation points by suitable active means. For this, the injection parameters in engine idle have been identified and subsequently transferred to the system test bench. Additionally, the injection parameters have been optimized acoustically and the impacts on the key functions regarding injection rating and shot-to-shot scattering of the injected fuel mass are discussed.
Entwicklung einer empirischen Formel zur Bewertung der Tickergeräuschanteile von Motorgeräuschen
(2019)
Difficulties in decomposing AdBlue to ammonia limit the applicability of selective catalytic reduction systems at low exhaust temperatures. Investigations on the decomposition of AdBlue in the liquid phase under elevated pressure at temperatures up to 165 degrees C were carried out. Besides effects of inorganic catalysts, the impact of pH on urea decomposition was examined. After dissolution in aqueous phase, the compounds ZnO, WO3, and MoO3 were found to be effective in liquid-phase AdBlue decomposition. However, the efficiency was dropping significantly over few hours. Decomposition of AdBlue urea was also found to be favored for alkaline and acidic conditions.
Ammonia-based selective catalytic reduction (SCR) systems are the most widely used technology for reduction of nitrogen oxide emissions from lean-burn engines such as diesel engines. However, at low exhaust temperatures, the SCR process is limited by difficulties in the decomposition of the ammonia precursor urea, which is carried on-board using an aqueous solution "AdBlue". In this study, the decomposition of AdBlue urea induced by electrical current and the resulting associated pH shifts were investigated in a divided cell configuration in the liquid phase. The decomposition was found to be favored in both electrochemical compartments, anodic and cathodic, at temperatures of 60-80 degrees C compared to a reference without electrochemical treatment. In addition to the determination of ammonia contents using an ammonia sensor, IC/HPLC analyses were carried out for each sample. Different side products such as biuret, nitrate, cyanuric acid, ammelide, and others were formed. In the anodic compartment, nitrate formation could be observed due to oxidation of ammonia at the electrode surface.
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The purpose of this study was to investigate the characteristic of nanoparticles under consideration of sub-23-nm particles from a 1.8-l direct injection (DI) gasoline engine under stoichiometric air/fuel conditions in the exhaust gas system. For future CO2 challenges, the usage of DI-instead of port fuel injection (PFI)-gasoline engines is unavoidable. Therefore, a state of the art particle management program-particle number (PN) system, the Horiba SPCS (2100) with an integrated CPC (condensation particle counter), was recalibrated from a 50% cutoff (D-50%) at 23 nm down to a cutoff at 10 nm and the PCRF (particle concentration reduction factor) for sizes smaller than 23 nm was checked. Two different modal points, out of a representative Real Driving Emission (RDE) cycle, were investigated with both calibrations, D-50%=10 nm and D-50%=23 nm. For these different load points, the fuel pressure (FUP) and the start of injection (SOI) were varied, to represent the difference in the structure and the ratio conc((10 nm))/conc((23 nm)) of the nanoparticle emissions. The particle characterization includes the particle number (PN), the particle size distribution (PSD), and the particle mass (PM). The particle number was measured with Horiba SPCS (2100). The particle size distribution was analyzed with a Grimm differential mobility analyzer (DMA) in combination with a Faraday cup electrometer (FCE). Micro Soot and Pegasor were used to determine the PM, and an optical characterization was done with a 120-kV Phillips CM12 transmission electron microscope (TEM). The position of all particle measurement systems was downstream the three-way catalyst (TWC). The results of this investigation showed that a higher injection pressure decreases the PN (without consideration of sub-23-nm particles) in general. The ratio conc((10 nm))/conc((23 nm)) was therefore higher, because smaller particles, especially ash particles, were less reduced from the FUP. This means higher FUP tends to a higher ratio. For the SOI, the main reasons of the ratio differences were explained by an encroachment between the injection jet and the piston, the valve and the wall.
Lean-burn engines, such as diesel engines, are widely used in mobile and stationary applications. Operation of lean-burn engines leads to formation of distinct amounts of nitrogen oxides (NO and NO2). Efficient aftertreatment is mandatory to meet legal requirements, especially at low exhaust temperatures, as for the future a decline of the exhaust temperature level can be predicted due to improved engine efficiencies. Within this review, potential technical solutions to enhance the DeNO(x)-aftertreatment efficiency at low exhaust temperatures are presented.
The hydrocarbons present in the diesel exhaust gas are analyzed. A mass spectrometer is used for the measurements, and it operates on the basis of an ion-molecule reaction. This method is especially suitable because it is selective, is as free of fragments as possible, and is highly sensitive to the species that need to be measured. The study shows that numerous hydrocarbons in diesel exhaust gas can be identified. In particular, three molecules, ethyne, ethene and propene, were analyzed online in-depth on an engine test bench under different engine operating conditions.
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.
To investigate the combustion and emission behavior of straight vegetable oils (SVO), jatropha oil, soybean oil, and diesel fuel were tested. For this research, a 2.2L common-rail engine with a two-stage turbocharging concept was equipped with a cylinder pressure indication system, an exhaust-gas analyzer, an AVL Micro Soot sensor and a Scanning Mobility Particle Sizer 3936 (SMPS) device to detect the particle-size-distribution (PSD). At a low and mid-load engine-operating point (EOP), the thermodynamic and emissions were investigated under various exhaust gas recirculation (EGR) rates with respect to the PSD. Moreover, the injection behavior of the three test fuels was analyzed separately using an injection rate analyzer. This procedure facilitates the thermodynamic investigations of the engine process and allows the calculation of the hydraulic delay (HD) as well as the ignition delay (ID). The ID of the SVO fuels compared to diesel fuel was found to be lower at all engine-operating modes, while jatropha oil always showed the shortest ID. In the particulate-nitrogen oxide (NOX) trade-off, the SVO fuels showed higher particulate matter (PM) emissions at the low-load EOP, whereas the PM emissions of diesel fuel overtop the SVO fuels at a higher engine load. With increased EGR-rates, a rise in the particle size was observed for all fuels. At the low-load EOP, the SVO fuels showed larger particles for high EGR-rates. This effect also changed by increasing the engine-load to the mid-load EOP, wherein the particle size of the diesel fuel emissions is higher by applying elevated EGR-rates.
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%.
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.