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Herausgegeben vonM. Bargende, Stuttgart, DeutschlandH.-C. Reuss, Stuttgart, DeutschlandJ. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Universi-tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr-zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen, Fahr- zeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus- arbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simulation. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten.Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensent-wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen.Themen der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwareent-wicklung sowie Test und Diagnose.Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unter-stützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimula- tor, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aero- akustikwindkanal.Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb-nisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Herausgegeben vonProf. Dr.-Ing. Michael BargendeLehrstuhl Fahrzeugantriebe,Institut für Verbrennungsmotoren undKraftfahrwesen, Universität StuttgartStuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian ReussLehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik,Institut für Verbrennungsmotoren undKraftfahrwesen, Universität StuttgartStuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Jochen WiedemannLehrstuhl Kraftfahrwesen,Institut für Verbrennungsmotoren undKraftfahrwesen, Universität StuttgartStuttgart, Deutschland
Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/13535
Andre Gerhard Tänzler
Experimentelle Untersuchung eines Dual-Fuel-Brennverfahrens für schwere Nutzfahrzeugmotoren
Andre Gerhard TänzlerStuttgart, Deutschland
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart ISBN 978-3-658-18920-4 ISBN 978-3-658-18921-1 (eBook)DOI 10.1007/978-3-658-18921-1
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa-tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral.
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2017
D93
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In der Wissenschaft gleichen wir alle nur den Kindern,die am Rande des Wissens hier und da einen Kiesel
aufheben,während sich der weite Ozean des Unbekannten
vor unseren Augen erstreckt.
Isaac Newton (1643-1727),englischer Physiker, Mathematiker und Astronom [3]
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissen-schaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Fahrzeugantriebe des Instituts fürVerbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) der Universität Stuttgart.
An dieser Stelle möchte ich allen danken, die durch ihre fachliche und per-sönliche Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing. M. Bargende, der Lei-ter des Lehrstuhls für Fahrzeugantriebe des Instituts, für das Initiieren dervorliegenden Arbeit und die Übernahme des Hauptreferats. Seine wissen-schaftliche und persönliche Betreuung bei der Durchführung sowie dergroße Freiraum bei der Gestaltung haben wesentlich zum Erfolg der Ar-beit beigetragen. Ebenso danke ich Herrn Professor Dr.-Ing. P. Eilts für dieÜbernahme des Koreferats.
Der Robert Bosch GmbH (DS Diesel Systems, Fellbach) danke ich für dieBereitstellung des Aggregats und der finanziellen Mittel. Dabei möchteich besonders die informativen Diskussionen und intensive Zusammenar-beit mit Herrn Dipl.-Ing. Ch. Gutwein, Herr Dipl.-Ing. T. Schnekenburger,Herrn Dr.-Ing. Ch. Barba und Herrn Dipl.-Ing. D. Naber hervorheben.
Weiterer Dank richtet sich an alle Mitarbeiter des Instituts für Verbren-nungsmotoren und Kraftfahrwesen sowie des Forschungsinstitut für Kraft-fahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart, die studentischen Hilfskräfteund Studienarbeiter für die Unterstützung, die zahlreichen Anregungen, diegute Zusammenarbeit und die angenehm kollegiale Arbeitsatmosphäre.
Stuttgart Andre Gerhard Tänzler
Inhaltsverzeichnis
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIAbbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIIITabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIXAbkürzungen und Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . XXIKurzfassung, Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIX
1 Einleitung und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Gesetzlich limitierte Schadstoffemissionen . . . . . . . . . 72.1.1 Innermotorische Schadstoffbildung . . . . . . . . 92.1.2 Innermotorische Schadstoffreduktion . . . . . . . 172.1.3 Nachmotorische Schadstoffreduktion . . . . . . . 192.1.4 Abgasnormen für schwere Nutzfahrzeuge . . . . . 212.1.5 Fahrzyklen für schwere Nutzfahrzeuge . . . . . . 23
2.2 Erdgas als alternativer Energieträger . . . . . . . . . . . . 262.2.1 Nutzung fossiler Energieträger . . . . . . . . . . . 262.2.2 Verfügbarkeit fossiler Energieträger . . . . . . . . 282.2.3 Einteilung und Zusammensetzung von Erdgas . . . 312.2.4 Erdgas als Kraftstoff . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.5 Motorische Verbrennung von Erdgas . . . . . . . . 41
2.3 Brennverfahren für Gasmotoren . . . . . . . . . . . . . . 462.3.1 Einteilung der Brennverfahren . . . . . . . . . . . 462.3.2 Gasbrennverfahren im Detail . . . . . . . . . . . . 47
3 Versuchsaufbau und -durchführung . . . . . . . . . . . 55
3.1 Motordaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2 Motorenprüfstand und Messtechnik . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Leistungsbremse und Prüfstandssoftware . . . . . 60
X Inhaltsverzeichnis
3.2.2 Kraftstoff- und Erdgasversorgung . . . . . . . . . 603.2.3 Ansaugluft- und Abgaskonditionierung . . . . . . 613.2.4 Abgasmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.2.5 Druckindizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.2.6 Schmieröl- und Kühlwasserversorgung . . . . . . 65
3.3 Definition der Betriebspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . 663.4 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.1 Charakteristische Kenngrößen . . . . . . . . . . . 683.4.2 Berechnung der spezifischen Emissionen . . . . . 71
4 Ergebnisse der Grunduntersuchungen . . . . . . . . . . 73
4.1 Variation der Substitutionsrate . . . . . . . . . . . . . . . 734.2 Variation der Abgasrückführrate . . . . . . . . . . . . . . 914.3 Variation des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses . . . . . . . . . 984.4 Variation des Dieseleinspritzdrucks . . . . . . . . . . . . . 1054.5 Analyse der Massenströme im Ladungswechsel . . . . . . 109
5 Untersuchung möglicher Klopfereignisse . . . . . . . . 117
5.1 Beschreibung des Klopfalgorithmus . . . . . . . . . . . . 1185.2 Variation des Verbrennungsschwerpunktes . . . . . . . . . 1215.3 Variation der Erdgaszusammensetzung . . . . . . . . . . . 123
6 Untersuchung eines alternativen Kolbens . . . . . . . . 129
6.1 Gegenüberstellung der Kolbenmaterialien . . . . . . . . . 1306.2 Vergleich der Kolbenmaterialien im motorischen Betrieb . 131
7 Untersuchung unterschiedlicher Dieseleinspritzmuster . 139
7.1 Mengen- und Abstandsvariation der Dieselvoreinspritzung 1407.2 Variation des Einspritzbeginns . . . . . . . . . . . . . . . 1527.3 Variation des Dieseleinspritzdrucks . . . . . . . . . . . . . 157
8 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . 163
8.1 Zusammenfassung der Messergebnisse . . . . . . . . . . . 1648.2 Ausblick für das Brennverfahren . . . . . . . . . . . . . . 171
Inhaltsverzeichnis XI
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
A.1 Nicht konventionelle fossile Energierohstoffe . . . . . . . 185A.1.1 Erdöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185A.1.2 Erdgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.2 Typ- und Serienprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188A.3 Kennwerte der Erdgaskomponenten . . . . . . . . . . . . 189A.4 Berechnung der molaren Abgasmasse . . . . . . . . . . . 191A.5 Zylinderkopf des 1-Zylinder-Forschungsaggregats . . . . . 196
Abbildungsverzeichnis
1.1 Entwicklung der CO2-Konzentration in der Luft und derglobal gemittelten Oberflächentemperatur seit 1900 . . . . 1
1.2 Sektorale Aufteilung der CO2-Emissionen nach den Haupt-verursachern für das Jahr 2012 in Deutschland . . . . . . . 2
1.3 Vergleich der CO2-Flottenemissionen für Pkw für dieMärkte in USA, EU, Japan, Südkorea und China . . . . . . 3
2.1 Beispielhafter Verlauf der Schadstoffkomponenten in Ab-hängigkeit vom Luftverhältnis λ . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Rußertrag als Funktion von Luftverhältnis/Temperatur . . 162.3 Zeitlicher Verlauf des normierten Drehmoments und der
normierten Drehzahl für den transienten Testzyklus WHTC 242.4 Vergleich des Primärenergieverbrauchs PEV von 2002 und
2012 in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.5 Endenergieverbrauch nach Sektoren in Deutschland für das
Jahr 2011 mit weiterer Aufteilung des Sektors Verkehr . . 282.6 Vergleich der volumetrischen und massenbezogenen spezi-
fischen Heizwerte flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe . . 342.7 Tankvolumen ohne Speichermaterial verschiedener Kraft-
stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.8 Reaktionsflussanalyse der CH4-Oxidation . . . . . . . . . 412.9 Laminare Flammengeschwindigkeit verschiedener Kraft-
stoffe abhängig vom Äquivalenzverhältnis . . . . . . . . . 432.10 Einteilung der Brennverfahren von Gasmotoren auf Basis
der Gaszuführung, Gemischbildung und Zündung . . . . . 472.11 Unterschiedliche Bereiche des Dieseleinspritzstrahls mit
einer Durchmischung von Erdgas und Luft . . . . . . . . . 502.12 HC-Grenzwertverlauf der EURO-6-Abgasnorm bei einem
mit Erdgas betriebenen Schwerlastmotor vom Typ 2 . . . . 54
3.1 Vermessene Geometrie des Serien-Kolbens . . . . . . . . 563.2 Messstellenplan des 1-Zylinder-Forschungsaggregats . . . 59
XIV Abbildungsverzeichnis
3.3 Diesel-Einspritzmenge eines 6-Zylinder-Vollmotors D0836im Drehzahl-Last-Kennfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4 Prinzip des Dual-Fuel-Brennverfahren mit Erdgaseinbla-sung ins Saugrohr und Dieseldirekteinspritzung . . . . . . 68
3.5 Prinzip der konstanten zugeführten Energiemenge für einenbeliebigen Betriebspunkt in Abhängigkeit von ψDF . . . . 70
4.1 Massenströme und Luftverhältnis während der Variationder Substitutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . 74
4.2 Spezifische Emissionen während der Variation der Substi-tutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Spezifische HC-Emissionen und GWP während der Varia-tion der Substitutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . 77
4.4 Druck- und Brennverläufe während der Variation der Sub-stitutionsrate im Betriebspunkt M3 bei konst. U50 . . . . . 78
4.5 Druck- und Brennverläufe während der Variation der Sub-stitutionsrate im Betriebspunkt M3 bei konst. ABHE . . . . 78
4.6 Vergleich der Zündverzugszeiten bei konst. ABHE gegen-über konst. U50 während der Variation der Substitutions-rate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.7 Vergleich von U50 berechnet aus dQB und dQH währendder Variation der Substitutionsrate im Betriebspunkt M3 . 81
4.8 Verbrennungstemperaturen während der Variation der Sub-stitutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . . . 82
4.9 Ausgewählte indirekte Indizierkennwerte während der Va-riation der Substitutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . . . 84
4.10 Ausgewählte direkte Indizierkennwerte während der Varia-tion der Substitutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . 85
4.11 Spezifische Emissionen während der Variation der Substi-tutionsrate im Betriebspunkt M2 . . . . . . . . . . . . . . 86
4.12 Indizierter Wirkungsgrad und Verbrennungstemperaturenwährend der Variation der Substitutionsrate im Betriebs-punkt M2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.13 Spezifische HC-Emissionen und des GWP während der Va-riation der Substitutionsrate im Betriebspunkt M2 . . . . . 88
Abbildungsverzeichnis XV
4.14 Vergleich der eingesetzten Kraftstoffmenge zur ausgescho-benen Energie aus den HC- und CO-Emissionen währendder Variation der Substitutionsrate im Betriebspunkt M2 . 90
4.15 Eingesetzte Kraftstoffmenge und Luftverhältnis währendder Variation der Abgasrückführrate im Betriebspunkt M3 91
4.16 Spezifische Emissionen während der Variation der Abgas-rückführrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . . . 92
4.17 HC-Emissionen und GWP während der Variation der Ab-gasrückführrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . 94
4.18 Ausgewählte direkte Indizierkennwerte während der Varia-tion der Abgasrückführrate im Betriebspunkt M3 . . . . . 95
4.19 Verbrennungstemperaturen während der Variation der Ab-gasrückführrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . 96
4.20 Ausgewählte indirekte Indizierkennwerte während der Va-riation der Abgasrückführrate im Betriebspunkt M3 . . . . 97
4.21 DVA-Startbedingungen bei 90 ◦KW v. ZOT während derVariation des Luftverhältnisses im Betriebspunkt M3 . . . 99
4.22 Spezifische Emissionen während der Variation des Luftver-hältnisses im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.23 Verbrennungstemperaturen, HC-Emissionen, Wirkungs-grad während der λDF -Variation im Betriebspunkt M3 . . . 102
4.24 Abgasenergie aus CO- und HC-Emissionen während derVariation des Luftverhältnisses im Betriebspunkt M3 . . . 103
4.25 Ausgewählte indirekte Indizierkennwerte während der Va-riation des Luftverhältnisses im Betriebspunkt M3 . . . . . 104
4.26 Ausgewählter direkte Indizierkennwerte während der Va-riation des Luftverhältnisses im Betriebspunkt M3 . . . . . 105
4.27 Spezifische Emissionen während der Variation des Diesel-einspritzdrucks im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . . 106
4.28 Ausgewählte direkte Indizierkennwerte während der Varia-tion des Dieseleinspritzdrucks im Betriebspunkt M3 . . . . 107
4.29 Ausgewählte indirekte Indizierkennwerte während der Va-riation des Dieseleinspritzdrucks im Betriebspunkt M3 . . 108
4.30 Vermessene Ventilhubkurven des 1-Zylinder-Forschungs-aggregats mit Überschneidungsphase . . . . . . . . . . . . 109
XVI Abbildungsverzeichnis
4.31 Indizierte Hoch- und Niederdruckverläufe sowie Ventil-hubkurven während der Variation des Abgasgegendrucks . 110
4.32 Ausgewählte Kenngrößen aus der Ladungswechselanalysewährend der Variation des Abgasgegendrucks . . . . . . . 111
4.33 Analyse der Massenströme über die Gaswechselventilehinweg während der Ventilüberschneidung . . . . . . . . . 112
4.34 Vergleich der HC- mit den CH4-Emissionen aus der Kurz-schlussspülung während der Ventilüberschneidung . . . . 115
5.1 Schematische Darstellung des Klopf-Algorithmus . . . . . 1195.2 Ausgewählte Indizierkennwerte während der Variation des
50 %-Umsatzpunktes im Betriebspunkt M4 . . . . . . . . 1225.3 Verbrennungsdauer und maximale Brennrate während der
Variation des 50 %-Umsatzpunktes im Betriebspunkt M4 . 1235.4 Ausgewählte Indizierkennwerte während der Variation des
Propananteils im Betriebspunkt M3 und M4 . . . . . . . . 1245.5 Analyse von Brennverlaufsgrößen während der Variation
des Propananteils im Betriebspunkt M3 und M4 . . . . . . 1255.6 Klopfverhältnisse und -häufigkeiten während der Variation
des Propananteils im Betriebspunkt M3 und M4 . . . . . . 1265.7 Beispiel eines klopfenden Arbeitsspiels während der Varia-
tion des Propananteils im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . 127
6.1 Vergleich der Kolbenmaterialien anhand der Öltemperaturund des Reibmitteldrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2 Spezifische Emissionen während der Variation der Substi-tutionsrate im Betriebspunkt M3 für zwei Kolbenmaterialien 133
6.3 HC-Emissionen während der Variation der Substitutions-rate im Betriebspunkt M3 für zwei Kolbenmaterialien . . . 134
6.4 Einspritz- und Umsatzpunkte während der Variation derSubstitutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . . . . . . . . . 135
6.5 Indizierter Wirkungsgrades und Verbrennungstemperatur-en während der Variation der Substitutionsrate im Betriebs-punkt M3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.6 Abgasenergie aus CO- und HC-Emissionen während derVariation der Substitutionsrate im Betriebspunkt M3 . . . 137
Abbildungsverzeichnis XVII
7.1 EDC-Größen zur Einspritzverlaufsformung des Diesel-kraftstoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.2 Zylinderdruck- und Brennverläufe während der ADVE-Variation im Betriebspunkt L0 bei einem Abstand von2,0 ms zur Haupteinspritzung . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.3 Zylinderdruck- und Brennverläufe während der ADVE-Variation im Betriebspunkt L0 bei einem Abstand von5,0 ms zur Haupteinspritzung . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.4 Spezifische Emissionen während der ABVE-Variation zwi-schen Vor- und Haupteinspritzung im Betriebspunkt L0 . . 145
7.5 HC-Emissionen und GWP während der ABVE-Variationzwischen Vor- und Haupteinspritzung im Betriebspunkt L0 146
7.6 Ausgewählte direkte Indizierkennwerte während derABVE-Variation zwischen Vor- und Haupteinspritzung imBetriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.7 Abgasenergie aus CO- und HC-Emissionen während derABVE-Variation zwischen Vor- und Haupteinspritzung imBetriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.8 Umsatzpunkte während der ABVE-Variation zwischen Vor-und Haupteinspritzung im Betriebspunkt L0 . . . . . . . . 149
7.9 Wirkungsgrad und Verbrennungstemperaturen während derABVE-Variation zwischen Vor- und Haupteinspritzung imBetriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.10 Wandwärmeverluste und Abgastemperaturen während derABVE-Variation zwischen Vor- und Haupteinspritzung imBetriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.11 Analyse der Zylinderdruck- und Brennverläufe währendder ABHE-Variation im Betriebspunkt L0 bei einem Ab-stand von 5,0 ms zur Voreinspritzung . . . . . . . . . . . . 153
7.12 Spezifische Emissionen während der ABHE-Variation imBetriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.13 HC-Emissionen und GWP während der ABHE-Variationim Betriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.14 Indirekte Indizierkennwerte während der ABHE-Variationim Betriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
XVIII Abbildungsverzeichnis
7.15 Spezifische Emissionen während der Variation des Diesel-einspritzdrucks im Betriebspunkt L0 . . . . . . . . . . . . 158
7.16 HC-Emissionen und GWP während der Variation des Die-seleinspritzdrucks im Betriebspunkt L0 . . . . . . . . . . 159
7.17 Indirekte Indizierkennwerte während der Variation des Die-seleinspritzdrucks im Betriebspunkt L0 . . . . . . . . . . 160
8.1 Spezifische Emissionen für den Betriebspunkt M3 und de-ren EURO-5 und Euro-6-Grenzwerte für schwere Nfz . . . 165
8.2 Ind. Wirkungsgrad, GWP für den Betriebspunkt M3 undderen EURO-5 und Euro-6-Grenzwerte für schwere Nfz . 167
8.3 Spezifische Emissionen für den Betriebspunkt L0 und de-ren EURO-5 und Euro-6-Grenzwerte für schwere Nfz . . . 168
8.4 Ind. Wirkungsgrad, GWP für den Betriebspunkt L0 und de-ren EURO-5 und Euro-6-Grenzwerte für schwere Nfz . . . 170
A.5 Zylinderkopf des 1-Zylinder-Forschungsaggregats . . . . . 196
Tabellenverzeichnis
2.1 Schadstoffgrenzwerte europäischer Abgasnorm für schwe-re Nutzfahrzeuge und Busse ab 3,5 t . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Normierte Betriebspunkte des stationären Zyklus WHSC . 252.3 Weltweite Reserven, Ressourcen und Förderung fossiler
Energierohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4 Einteilung der zweiten Gasfamilie in Gruppen nach
DVGW-Arbeitsblatt G260 bei Normbedingungen . . . . . 312.5 CO2-Emissionen in g/kWh unterschiedlicher Kraftstoffe . 332.6 Anforderungen an Erdgas als Kraftstoff nach DIN 51624 . 372.7 Erdgas-Zusammensetzung und Kenndaten berechnet nach
ISO EN DIN 6976 von Gasproben . . . . . . . . . . . . . 38
3.1 Technische Daten des 1-Zylinder-Forschungsaggregats . . 553.2 Komponenten des Dieseleinspritzsystems CRSN3 für Nfz-
Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.3 Betriebsbereich der Leistungsbremse vom Typ Siemens
1GP 9204 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.4 Technische Daten des piezo-elektrischen Drucksensors . . 643.5 Technische Daten der piezo-resistiven Drucksensoren . . . 653.6 Einstellwerte der untersuchten Betriebspunkte aus dem
Kennfeld eines Vollmotors im reinen Dieselbetrieb . . . . 67
6.1 Materialeigenschaften der untersuchten Kolben . . . . . . 130
7.1 Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer der Diesel-Voreinspritzung und der eingespritzten Dieselmenge . . . 140
8.1 Literaturangaben zu möglichen Konvertierungsraten einesAbgasnachbehandlungssystems . . . . . . . . . . . . . . . 164
A.2 Molmassen der Elemente aus den Erdgaskomponenten . . 189A.3 Brennwerte Hs,n, Heizwerte Hi,n und Molmassen Mi der
Erdgaskomponenten unter Normbedingungen . . . . . . . 190
Abkürzungen und Formelzeichen
Abkürzungen
AGN Abgasnachbehandlung
AGR Abgasrückführung
ANG Absorbed Natural Gas
AV Auslassventile
BtL Biomass to Liquid
CNG Compressed Natural Gas
CRSN3 Common Rail System der 3. Generation fürNfz-Motoren
CVS Constant Volume Sampling
DF Dual-Fuel
DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasser-faches e.V.
ECA Emission Control Area
ECU Electronic Control Unit
EDC Electronic Diesel Control
EG Europäische Gemeinschaft
ELR European Load Response
ESC European Stationary Cycle
ETC European Transient Cycle
ETK Emulatortastkopf
EV Einlassventile
FID Flammenionisationsdetektoren
FSN Filter Smoke Number
FSO Full Scale Output, Messspanne
GHD Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
GOT Gaswechsel-OT
XXII Abkürzungen und Formelzeichen
GUS Gemeinschaft unabhängiger Staaten
GWP Global Warming Potential
HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition
IMO International Maritime Organization
KW Kohlenwasserstoffe
LNG Liquefied Natural Gas
MV Magnetventil
MZ Methanzahl
NEFZ Neuer europäischer Fahrzyklus
OBD On-Board-Diagnose
OT oberer Totpunkt
PAK polyzyklische aromatische Kohlenwasser-stoffe
PEV Primärenergieverbrauch
PWM Pulsweitenmodulation
ROZ Researched-Oktanzahl
SCR selektive katalytische Reduktion
SNG Synthetic Natural Gas
SOI Start of Injection, Einspritzbeginn
WHSC World Harmonized Stationary Cycle
WHTC World Harmonized Transient Cycle
ZME Zumesseinheit
ZOT Zünd-OT
lateinische Formelzeichen
ABHE [◦KW v. ZOT] Ansteuerbeginn Diesel-Haupteinspritzung
ABVE [ms] Abstand zw. Vor- und Haupteinspritzung
ADHE [μs] Ansteuerdauer Haupteinspritzung
ADVE [μs] Ansteuerdauer Voreinspritzung
Abkürzungen und Formelzeichen XXIII
ECO,HC [kJ/Hub] Energiestrom aus den unverbrannten HC-und CO-Emissionen
mL [kg/h] angesaugte Luftmasse
mCNG [mg/Hub, kg/h] eingeblasene Erdgasmasse
mGWP,DF [g/kWh] spezifischer Massenstrom aus CH4 und CO2
nach dem GWP
mAV [mg/◦KW] Massenstrom über die Auslassventile ausdem Brennraum
mB,equi [mg/Hub, kg/h] äquiv. Kraftstoffmasse, zugeführte Energiebezogen auf HDiesel
i
mEV [mg/◦KW] Massenstrom über die Einlassventile in denBrennraum
mges [kg/h] Gesamtmassenstrom aus Luft, Diesel undErdgas
mi,spez [g/kWh] spezifischer Massenstrom der Komponente i
mKst [mg/Hub, kg/h] Kraftstoffverbrauch, Diesel
mLst [kg/h] Luftmasse stöchiometrischen Verbrennung
mspuel [mg/h] überströmter Massenstrom im Ladungs-wechsel
Qzu [J/Hub, kJ/h] zugeführte Energie
KVH [1] Klopfverhältnis
KVHGrenz [1] Grenzwert des Klopfverhältnisses
C2H2 [ppm, g/kWh] Acetylen
CH3 [ppm, g/kWh] Methylradikal
CH4 [ppm, g/kWh] Methan
CO2 [ppm, g/kWh] Kohlendioxid
CO [ppm, g/kWh] Kohlenmonoxid
CxHyOz [ppm, g/kWh] allgemeiner Kohlenwasserstoff
H• [ppm, g/kWh] elementarer Wasserstoff, Wasserstoffradikal
H2O [ppm, g/kWh] Wasser
H2 [ppm, g/kWh] Wasserstoff
XXIV Abkürzungen und Formelzeichen
HCN [ppm, g/kWh] Blausäure
HC,THC [ppm, g/kWh] unverbrannter Kohlenwasserstoff, sämtlicheVerbindungen
HNCO [ppm, g/kWh] Isocyansäure
HO•2 [ppm, g/kWh] Hydroperoxidradikal
N• [ppm, g/kWh] elementarer Stickstoff, Stickstoffradikal
N2O [ppm, g/kWh] Distickstoffmonoxid, Lachgas
N2 [ppm, g/kWh] Stickstoff
NH3 [ppm, g/kWh] Ammoniak
NMHC [ppm, g/kWh] Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe
NOx [ppm, g/kWh] Summe aller Stickoxide
O• [ppm, g/kWh] elementarer Sauerstoff, Sauerstoffradikal
O2 [ppm, g/kWh] Sauerstoff
OH• [ppm, g/kWh] Hydroxylradikal
PM [g/kWh] Partikelmasse
PN [1/kWh] Partikelanzahl
Smoke [1/m] Abgastrübung, Absorptionskoeffizient
SO2 [ppm, g/kWh] Schwefeldioxid
Ae f f [mm2] effektiver Strömungsquerschnitt
BasisPG [J] Basispegel des Grundrauschen im ursprüng-lichen Signal dQH
cm [1] Massenanteil Kohlenstoff im Kraftstoff
dK [mm] Bohrung
dv [1] relative Dichte eines Brenngases
d p/dϕmax [bar/◦KW] max. Druckgradient
dQB [J/◦KW] Brennverlauf
dQH [J/◦KW] Heizverlauf
dQW [J/◦KW] Wandwärmestrom
dQH,HP f ilt [J/◦KW] Hochpass gefilterter Heizverlauf dQH
dQH,max [J/◦KW] maximalen Heizrate berechnet aus dQH
Abkürzungen und Formelzeichen XXV
dQH,T P f ilt [J/◦KW] Tiefpass gefilterter Heizverlauf dQH
E [MPa] E-Modul eines Werkstoffes
h [mm] Kolbenhub
Hi [MJ/kg] spezifischer, unterer Heizwert, früher Hu
HR [J] Reaktionsenthalpie
Hcv [1] H/C-Stoffmengenverhältnis
hm [1] Massenanteil Wasserstoff im Kraftstoff
Hs [MJ/kg] spezifischer, oberer Heizwert, früher Ho
Kf req [1] Klopfhäufigkeit
KInach [J] Klopfintensität im Auswertefenster 2
KIvor [J] Klopfintensität im Auswertefenster 1
lPl [mm] Pleuellänge
Lst [kg/kg] stöchiometrischer Luftbedarf
Mi [g/mol] molare Masse der Komponente i
Mnorm [%] normiertes Motormoment
mV E [mg] Einspritzmenge der Voreinspritzung
mZyl [g] Masse im Zylinder
ni [mol] Stoffmenge der Komponente i
nmot [1/min] Motordrehzahl
nnorm [%] normierte Motordrehzahl im WHSC/WHTC
Ocv [1] O/C-Stoffmengenverhältnis
om [1] Massenanteil Sauerstoff im Kraftstoff
p2_E1 [mbar] Saugrohrdruck vor den EV
p3_A1 [mbar] Abgasdruck nach den AV
pi [Pa] Partialdruck der Komponente i
pk [Pa] Druck im kritischen Punkt
pn [mbar] Druck im Normzustand nach ISO 13443,pn = 1013,25mbar
ps [Pa] Sättigungsdampfdruck
pAbgas [bar] indizierter Abgasdruck
XXVI Abkürzungen und Formelzeichen
Pi,DF [kW] indizierte Leistung im Dual-Fuel-Betrieb
pme [bar] effektiver Mitteldruck
pmi,LW [bar] indizierter Ladungswechsel-Mitteldruck
pmi [bar] indizierter Mitteldruck
pmr [bar] Reibmitteldruck
pRail [bar] Raildruck der Dieseleinspritzung
pSaug [bar] indizierter Saugrohrdruck
pZyl,max [bar] max. Zylinderdruck
pZyl [bar] Zylinderdruck
QV Ezu [J] Energiemenge der Voreinspritzung
Rm [MPa] Zugfestigkeit eines Werkstoffes
Rn [J/(mol K)] allgemeine Gaskonstante
Rs [J/(kg K)] Spezielle Gaskonstante
T 2_E1 [◦C] Temperatur im Saugrohr vor den EV
Tk [K] Temperatur im kritischen Punkt
Tn [K] Temperatur im Normzustand nach ISO13443, Tn = 273,15K
TES [K] Temperatur im Zylinder bei ’Einlassschließt’
Tmm,max [K] maximale Massenmitteltemperatur der Zy-linderladung
Tuv,max [K] maximale Temperatur im Unverbrannten derZylinderladung
Tv,max [K] maximale Temperatur im Verbrannten derZylinderladung
TZyl [K] Temperatur der Zylinderladung
TOEL [◦C] Öltemperatur vor dem Ölfilter
U10 [◦KW n. ZOT] 10 %-Umsatzpunkt aus normiertem Sum-menbrennverlauf
U50 [◦KW n. ZOT] 50 %-Umsatzpunkt aus normiertem Sum-menbrennverlauf
Abkürzungen und Formelzeichen XXVII
U90 [◦KW n. ZOT] 90 %-Umsatzpunkt aus normiertem Sum-menbrennverlauf
Vc [m3] Kompressionsvolumen
Vh [cm3] Hubvolumen
VZyl [m] Zylindervolumen
V D10−90 [◦KW] Verbrennungsdauer zw. 10 % und 90 %-Umsatzpunkt
Wi [MJ/kg] Wobbe-Index eines Brenngases, berechnetaus Heizwert
Ws [MJ/kg] Wobbe-Index eines Brenngases, berechnetaus Brennwert
xi [1] Stoffmengenanteil der Komponente i
XCH4,HC [%] Anteil der CH4-Emissionen an den gesam-ten HC-Emissionen
XCO,HC [%] Anteil des Energiestroms ECO,HC an zuge-führter Energie Qzu
XmKst [%] Energieanteil der Voreinspritzung an der ge-samten Dieselmenge
griechische Formelzeichen
α [10−6 m/(m K)] Wärmedehnung eines Werkstoffes
εgeo [1] geom. Verdichtungsverhältnis
εthermo [1] thermodynamisches, effektives Verdich-tungsverhältnis
ηu [1] Umsetzungswirkungsgrad der Verbrennung
ηi,DF [1] Indizierter Wirkungsgrad im Dual-Fuel-Betrieb
λ [W/(m K)] Wärmeleitfähigkeit eines Werkstoffes
λ [1] (Kraftstoff-)Luftverhältnis
λCNG [1] Luftverhältnis vom Hintergrundgemisch imDual-Fuel-Betrieb
XXVIII Abkürzungen und Formelzeichen
λDF [1] globales Luftverhältnis im Dual-Fuel-Brennverfahren
φ [1] Äquivalenzverhältnis φ = 1/λψDF [%] Substitutionsrate von Diesel mit Erdgas
ρ [g/cm3] Dichte eines Werkstoffes
ρGas [kg/m3] Dichte eines Brenngases
ρLu f t [kg/m3] Dichte der Luft
σi [1] Volumenkonzentration der Komponente i
ϕ [◦KW] Kurbelwinkel
ϕ1 [◦KW] Beginn erstes Auswertefenster für Klopfal-gorithmus
ϕ2 [◦KW] Ende zweites Auswertefenster für Klopfal-gorithmus
ϕBB [◦KW v. ZOT] Brennbeginn aus Summenbrennverlauf QB
ϕFB [◦KW] Fensterbreite für Klopfalgorithmus
ϕmax [◦KW] Ort der maximalen Heizrate dQH,max
ϕrel [1] relative Luftfeuchte der Luft
ϕZV [◦KW] Zündverzug
Kurzfassung
Um die Treibhausgaskonzentrationen und darüber die Erderwärmung aufein erträgliches Maß zu beschränken, werden für den Sektor Verkehr im-mer schärfere Flottengrenzwerte für CO2-Emissionen beschlossen. Eineder großen Herausforderung zukünftiger Verbrennungsmotoren liegt des-halb in der weiteren Steigerung des Gesamtwirkungsgrades. Ein vielver-sprechender Lösungsansatz ist die Verwendung von Methan als alternativerKraftstoff. Mit der Annahme einer vollständigen Verbrennung können da-mit die CO2-Emissionen um bis zu 26 % im Vergleich zum Dieselkraftstoffreduziert werden. Im Nutzfahrzeugbereich sind die geringeren Kraftstoff-kosten ebenfalls Treiber für alternative Brennverfahren. Diese Vorteile sol-len in einem Dual-Fuel-Brennverfahren genutzt werden.
An einem 1-Zylinder-Forschungsaggregat auf Basis des 4-Zylinder-Rei-henmotors D0834 der MAN Nutzfahrzeuge Gruppe werden grundlegendeZusammenhänge des Dual-Fuel-Brennverfahrens dargelegt. Die Erdgaszu-mischung wird über eine Saugrohreinblasung realisiert. Fokus der experi-mentellen Untersuchungen liegt dabei auf Wirkungsgrad, Emissionen undderen Treibhauspotential. Für die Auswertung der Messreihen ist es not-wendig, Dual-Fuel-spezifische Kenngrößen zu definieren. Die zugeführ-te Energie setzt sich aus zwei unterschiedlichen Kraftstoffen zusammen.Für das Mischungsverhältnis wird die Substitutionsrate eingeführt, die dasenergetische Verhältnis aus der zugeführten Erdgasenergie zur Gesamt-energie beschreibt. Weiterhin muss das Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf zweiKraftstoffe erweitert werden.
Die untersuchten Betriebspunkte stammen aus einem Motorkennfeld desVollmotors im reinen Dieselbetrieb und sind definiert durch Drehzahl sowieeingespritzte Kraftstoffmenge bzw. -energie. Um die Betriebsgrenzen desBrennverfahrens zu analysieren, wird im ersten Schritt die Substitutionsratevariiert. Im Betriebspunkt M3 (1800 min−1, 103 mg/Hub, hohe Teillast beimittlerer Drehzahl) können durch das H/C-Verhältnis von Erdgas die CO2-Emissionen um mehr als 20 % bei einer Substitutionsrate von knapp 90 %
XXX Kurzfassung
reduziert werden. Die Rußemissionen sind bei hohen Substitutionsratenvernachlässigbar gering. Trotz des Anstieges der HC-Emissionen wird dasTreibhauspotential für diesen Betriebspunkt reduziert. Mit einer Reduktiondes globalen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses gelingt es, die HC-Emissionenweiter zu reduzieren. Um auszuschließen, dass ein Teil dieser Emissionenaus überströmtem Frischgemisch während des Ladungswechsels resultiert,wird eine Ladungswechselanalyse durchgeführt.
Während der Variation der Substitutionsrate im Betriebspunkt M3 mit kon-stantem Ansteuerbeginn der Dieseleinspritzung wird ein steigender Zünd-verzug mit steigendem Erdgasanteil deutlich. Weiterhin zeigen Indizier-kennwerte eine reduzierte Verbrennungsdauer aufgrund höherer laminarerFlammengeschwindigkeiten von Erdgas und darüber einen deutlichen An-stieg der maximalen Brennrate. Der Ausbrand stellt den eigentlichen Hebelfür die kürzere Brenndauer dar. Der damit verbundene Anstieg des indi-zierten Wirkungsgrades wird mit den hohen CO- und HC-Emissionen über-kompensiert.
Im Betriebspunkt M2 (1800 min−1, 69 mg/Hub, untere Teillast und mittlereDrehzahl) steigen mit der Substitutionsrate die CO- und HC-Emissionenaufgrund der geringen Prozesstemperaturen stark an, sodass keine hohenSubstitutionsraten ohne einen Anstieg des Treibhauspotentials und deut-liche Nachteile im indizierten Wirkungsgrad verwendet werden können.Dieser Zusammenhang ist grundsätzlich bei Betriebspunkten mit geringenLasten zu erkennen.
Bei der Untersuchung möglicher Klopfereignisse wird bei den Betriebs-punkten hoher Last die 2-Fenster-Methode angewendet, um irreguläre Ver-brennungen zu detektieren. Mit einer Variation des 50 %-Umsatzpunkteswird sich zwar der Klopfgrenze genähert, die hohe Methanzahl MZ 86der verwendeten Erdgaszusammensetzung verhindert aber mögliche Klopf-ereignisse. Mit einer gezielten Reduktion der Methanzahl durch Propan-zumischung können klopfende Arbeitsspiele generiert werden. An derVolllast bei mittlerer Drehzahl (M4, 1800 min−1, 137 mg/Hub) detektiertder Klopfalgorithmus klopfende Verbrennungen bei einer Methanzahl vonMZ 81, für den Betriebspunkt M3 sogar erst bei MZ 75.
Kurzfassung XXXI
Als eine Ursache der allgemein hohen HC-Emissionen wird die große Feu-ersteghöhe des Aluminium-Kolbens (10,5 mm) festgemacht. Um diesesTotvolumen zu reduzieren, muss auf eine Stahllegierung zurückgegriffenwerden. Dessen Materialeigenschaften lassen die Brennraumtemperaturensteigen, was höhere Öltemperaturen und Massenmitteltemperaturen der Zy-linderladung bestätigten. Mit Hilfe der Werkstoffeigenschaften und der ge-änderten Geometrie werden die HC-Emissionen, im besonderen Maße dieCH4-Emissionen, bei leicht erhöhten Stickoxiden reduziert. Weitere positi-ve Nebenerscheinungen sind die Reduktion der Reibung und eine schnel-lere Kraftstoffumsetzung aufgrund erhöhter Prozesstemperaturen, was ineinem leicht erhöhten indizierten Wirkungsgrad resultiert. Diese Auswir-kungen sind im gesamten Betriebskennfeld zu beobachten.
Die Vorteile des Stahl-Kolbens reichen für Betriebspunkte mit geringenLasten aufgrund der weiterhin niedrigen Prozesstemperaturen nicht aus,um die Grenzwerte der EURO-6-Abgasnorm zu erreichen. Deshalb werdenzusätzlich für diese Betriebspunkte in Kombination mit dem Stahl-Kolbenunterschiedliche Dieseleinspritzmuster untersucht. Große und frühe Vor-einspritzmengen mit einem Kraftstoffanteil von größer 75 % reduzieren dieCO- und HC-Emissionen deutlich. Besonders der Methananteil der HC-Emissionen wird aufgrund der früheren Kraftstoffumsetzung und höherenBrennraten reduziert. Dies lässt zwar die Wandwärmeverluste steigen, wirdaber mit der geringeren unverbrannten Energie überkompensiert. Aus denBrennverläufen wird aufgrund dieser Einspritzmuster eine teil-homogeneDieselverbrennung deutlich, bei der mit einer großen Voreinspritzmengeein hoher Homogenisierungsgrad des Dieselkraftstoffs erreicht wird unddie Umsetzung der gesamten eingebrachten Kraftstoffenergie in einer Vo-lumenreaktion erfolgt. Dies bestätigen fallende NOx-Emissionen trotz stei-gender maximaler Brennraten mit kurzen Brenndauern. Ein hoher Ein-spritzdruck unterstützt die Gemischaufbereitung großer Voreinspritzmen-gen. Obwohl dieses Verbrennungsphänomen die HC-Emissionen deutlichreduziert, war es nicht möglich mit dem Betriebspunkt L0 (niedrige Lastund Drehzahl, 1020 min−1, 35 mg/Hub) den EURO-6-Grenzwert für unver-brannte Kohlenwasserstoffe für hohe Substitutionsraten zu erreichen.
Abstract
In order to limit the concentration of greenhouse gases and in addition theglobal warming to a tolerable degree the CO2 emission limits for the trans-port sector is becoming increasingly stricter. One of the major challenges offuture combustion engines is therefore the further increase of the processefficiency. A promising approach is the use of methane as an alternativefuel. With the assumption of a complete combustion, the CO2 emissionscan thereby be reduced by up to 26 % compared to the diesel fuel. In thecommercial vehicle sector the lower fuel costs are also drivers for alterna-tive combustion processes. These advantages are to be used in a dual-fuel-combustion process.
On a single-cylinder-engine based on the 4-cylinder-engine D0834 ofthe MAN Nutzfahrzeuge Group basic interrelationships of the dual-fuel-combustion are researched. The natural gas admixture is realized by anintake manifold injection. The focus of the experimental testings is on effi-ciency, emissions and their global warming potential. For the evaluation ofthe measurement series it is necessary to define dual-fuel-specific parame-ters. The supplied energy is composed of two different fuels. For the mix-ing ratio the substitution rate is introduced, which describes the energeticratio of the supplied natural gas energy to the total energy. Furthermore theair-fuel-ratio has to be extended to two fuels.
The tested operating points are derived from a operation map of the fullengine in a pure diesel operation mode and are defined by engine speedand injected fuel quantity. In order to analyze the operating limits of thecombustion process the substitution rate is varied in the first step. In theoperating point M3 (1800 rpm, 103 mg/str, high partial load at medium en-gine speed), CO2 emissions can be reduced by more than 20 % at a substi-tution rate of close to 90 % due to the H/C ration of natural gas respectivelymethane. The soot emissions are insignificant low at high substitution rates.Despite the increase of HC emissions the global warming potential for thisoperating point is reduced. With a rich global air-fuel ratio the HC emis-
XXXIV Abstract
sions can be further reduced. In order to eliminate the fact that some ofthese emissions follow from the overflowed fresh mixture during the gasexchange, a calculation of the occured massflows is executed.
During the variation of the substitution rate in the operating point M3 witha constant start of the diesel injection a rising ignition delay becomes clearwith an increasing natural gas ratio. Furthermore combustion analysis re-sults show a reduced combustion duration due to higher laminar flamespeeds of natural gas and above this a significant increase of the maximumburnrate. The burn-out represents the main reason for the shorter combus-tion duration. The increase of the indicated efficiency is overcompensatedby high CO and HC emissions.
In the operating point M2 (1800 rpm, 69 mg/str, lower partial load and meanengine speed), the CO and HC emissions increase strongly with the substi-tution rate due to the low process temperatures. The outcome of this is aharmful effect on the indicated efficiency. This is basically recognizable atoperating points with low loads.
While studying possible knocking events the 2-window-method is used athigh-load operating points to detect irregular combustion phenomenons.Although the knocking limit is approached with a variation of the 50 %burned mass fraction point, the high methane number MZ 86 of the naturalgas composition prevents possible knocking events. A targeted reduction ofthe methane number by propane admixture knocking operating cycles canbe generated. At the full load at medium speed (M4, 1800 rpm, 137 mg/str),the knocking algorithm detects knocking events with a methane number ofMZ 81, for the operating point M3 even with MZ 75.
As a cause of the generally high HC emissions the large piston toplandheight of the aluminum piston (10,5 mm) is fixed. In order to reduce thisdead volume a changeover to a steel alloy is necessary. Its material prop-erties increase the temperatures inside of the combustion chamber whichis confirmed by higher oil temperatures and temperatures of the cylindercharge. With the help of the material properties and the modified pistongeometry, the HC emissions especially the methane emissions are reducedwith slightly increased NOx. Further positive side effects are the reduction
Abstract XXXV
of friction and a faster fuel conversion due to increased process tempera-tures, resulting in a slightly increased indicated efficiency. These effectscan be observed throughout the entire operating map.
The advantages of the steel piston are not sufficient for operating pointswith low loads due to the still low process temperatures in order to reachthe EURO-6 exhaust gas standards. Therefore, different diesel injectionpatterns are additionally tested for these operating points with low loads incombination with the steel piston. Large and early pilot injection quanti-ties with a fuel ratio of more than 75 % significantly reduce CO and HCemissions. Especially the methane emissions are reduced due to the earlierfuel conversion and higher burnrates. This can lead to an increase of thewallheat losses, but is overcompensated by lower unburned energy. Fromthe curve progression of the burnrate it seems that a homogeneous dieselcombustion takes place, in which a high degree of homogenization of thediesel fuel is achieved with a large pilot injection quantity, and the con-version of the entire fuel energy is carried out in a volume reaction. Thisis confirmed by decreasing NOx emissions in face of the rising maximumburnrates with short combustion durations. High injection pressure sup-ports the mixture preparation of large pilot injection quantities. Althoughthis combustion phenomenon significantly reduced HC emissions, it wasnot possible to reach the EURO-6 limit for unburned hydrocarbons for highsubstitution rates within operating point L0 (low load and rotational speed,1800 rpm, 137 mg/str).
