Abgeschlossen
Autor:Larisa León de Syniawa
Projektzeitraum: 08.2019 - 02.2022
Ziel:
Verschärfte Emissionsgesetzgebungen hinsichtlich Methan- und Formaldehydemissionen von Gasmotoren erfordern Strategien zur schnellen Betriebsbereitschaft des Abgasnachbehandlungssystems nach Motorkaltstart. Hierzu sollen verschiedene Motorkaltstartstrategien hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Light-off Verhalten der Abgasanlage in verschiedenen Applikationen von Erdgasmotoren untersucht und in einem Simulationsmodell dargestellt werden. Heutige Erdgasmotoren werden im betriebswarmen Zustand mit stöchiometrischen oder mageren Brennverfahren betrieben. Dabei kommen Drei-Wege-Katalysatoren bzw. Kombinationen aus Oxidations- und Selektive Katalytische Reduktions-Katalysatoren zum Einsatz. Im Rahmen des Projekts werden experimentelle Untersuchungen an Gasmotoren und Abgasnachbehandlungskomponenten für unterschiedliche Applikationen (Personenkraftfahrzeug und Nutzfahrzeug) durchgeführt. Dabei sollen Effekte der Wasserdeaktivierung und mögliche Regenerationsstrategien analysiert werden. Ziel ist es, kinetische Modelle zu entwickeln bzw. vorhandene kinetische Modelle zu verbessern, so dass die Katalysatoren künftig zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklungskette numerisch optimiert werden können. Somit kann der Aufbau von komplexen Prüfständen reduziert werden. Die Modelle sollen auf die Kaltstartphase, transiente Zyklen und auf verschiedene Gaszusammensetzungen anwendbar sein. Hierzu werden umfangreiche Messungen durchgeführt, um die physikalischen und chemischen Vorgänge im Katalysator besser zu verstehen. Auch wird der Einfluss unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten und -zusammensetzungen auf die Abgasnachbehandlung untersucht.
Autor:Krishna Shrestha
Projektzeitraum: 10.2019 - 03.2022
Ziel:
Das Projekt FVV Wassereinspritzung bei Ottomotoren hat bisher schon einen Einblick in das Verhalten der Wasserinjektoren und des Einflusses des Wasser auf die Thermodynamik und Chemie im Zylinder geliefert, mit Hilfe von Einzylinderexperimenten und Simulation. Jedoch gibt es noch viele offene Fragen der Arbeitsgruppe, die in einem Nachfolgeprojekt bearbeitet werden sollen. Die erste Thematik beschäftigt sich mit einer genaueren Betrachtung der Einflüsse der Wassereinspritzung auf das lokale Mischungsverhalten. Dabei sollen auch fortschrittliche Methoden untersucht werden, wie z.B. 500 bar Drücke der direkten Einspritzung, Emulsionseinspritzung und Mehrfacheinspritzungsstrategien. Dabei soll der Einfluss der Änderung der Hardware auf die Wassereinspritzung untersucht werden, um mögliche weitere Potentiale zu erschließen. Desweiteren soll die Kombination verfügbarer Technologien wie Variabler Ventilsteuerzeiten und Abgasrückführung mit Wassereinspritzung untersucht werden. Die Fragen sollen beantworten werden, wie sich diese Technologien gegenseitig beeinflussen und welche Potential es über das vollständige Motorkennfeld gesehen gibt. Die Änderung der Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung und deren Einfluss auf die Konvertierung im Drei-Wege-Katalysator und Otto-Partikelfilter sollen auch weiter untersucht werden. Dabei geht es um ein besseres Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse und deren Übertragung in Simulationsmodelle. Die Ergebnisse des Folgeprojekts kommen den Fahrzeugherstellern und Zulieferern zugute und helfen ihnen ihre Produkte weiter zu verbessern, auch in Hinblick auf die zukünftige RDE Gesetzgebung.
Autor:Tim Franken
Projektzeitraum: 03.2019 - 02.2022
Ziel: Die Reduzierung der CO2-Emissionen ist eine weltweite Herausforderung. Um den Problemen auf der ganzen Welt gerecht zu werden, verbessern die Kraftstoffe der neuen Generation die thermische Effizienz des Motors und reduzieren die Emissionen. Aus Sicht der Verbrennungswissenschaft ist es wichtig, Kraftstofftechnologien zu untersuchen, da Ölraffinerieprozesse neben dem Argument zum E-Fuel noch ein großes Potenzial zur CO2-Reduktion haben. Daher möchten wir uns auf die Kraftstoffe der neuen Generation konzentrieren, die die Magerverbrennung und die AGR-Verbrennung verbessern und das Klopfen aus verbrennungswissenschaftlicher Sicht mildern. Hauptziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer Motor- und Kraftstoffkooptimierungsmethode, um zu bewerten, wie die Kraftstoffzusammensetzung einen systematischen Beitrag zu umweltfreundlichen Antriebssträngen leisten kann. Die Methodik zielt darauf ab, das Betriebsverhalten des Motors und den Kraftstoff bei gleichzeitiger Verbesserung der Verbrennungseigenschaften zu optimieren. Das Projekt wird thematisch in fünf Arbeitspakete unterteilt: Kraftstoffdesign und Reaktionskinetik, Thermodynamische Tests, numerische Untersuchungen, 0D/QD-basierte Messanalyse und Verbesserung von QD-Modellen für zukünftige Kraftstoffzusammensetzungen und Kraftstoffmischungsoptimierung.
Autor:Tim Franken
Projektzeitraum: 04.2017 - 09.2019
Ziel: Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden Modelle und numerischen Methoden erarbeitet, die eine Bewertung von Motorenentwicklungen mit Wassereinspritzung erlauben. Diese helfen das Potential der Wassereinspritzung in Ottomotoren zur Leistungs- und Effizienzsteigerung optimal zu nutzen. Die Modellerweiterungen konzentrieren sich auf die physikalischen Eigenschaften von Wasser- oder Emulsionssprays, die veränderten Thermodynamischen Prozesse im Motor, sowie den Einfluß hoher Wasserkonzentrationen auf die Reaktionskinetik in der Gasphase und im Katalysator. Dabei kommen sowohl 3D CFD als auch 1D/Q3D Verfahren zum Einsatz.
Zur Unterstützung der Modellentwicklung wird eine umfangreiche experimentelle Kampagne durchgeführt. Die besonderen Eigenschaften der Sprays werden in Spraykammern und in einer schnellen Kompressionsmaschine untersucht. Dabei werden auch nahezu kritische Zustände für die Wassereinspritzung betrachtet. Die thermodynamischen Eigenschaften von Gasen mit hohen Wasserkonzentrationen, sowie von expandierenden Gasen bei gleichzeitiger Verdampfung von Wasser sollen in einem Einzylindermotor analysiert werden. Dabei können auch Änderungen der Reaktionen in der Gasphase betrachtet werden, da diese massgeblichen Einfluß auf die Wärmefreisetzung und die Emissionsneigung haben. Schliesslich sollen repräsentative Experimente an einem Katalysatorprüfstand den Einfluss von erhöhten Wasserkonzentrationen auf die Abgasnachbehandlung aufzeigen.
Die Einsatzbarkeit der neuentwickelten Verfahren und Modelle werden an einem Vollmotormodell exemplarisch nachgewiesen werden. Neben den umfangreichen experimentellen Daten liefert das Projekt eine detaillierte Beschreibung der entwickelten Modelle, umfangreiche reaktionskinetische Datensätze, sowie eine Erweiterung des FVV Zylindermoduls. Die Erweiterung des FVV Moduls stützt sich auf eine umfangreiche Validierung mit Hilfe der 3D CFD und der 1D/Q3D Berechnungen.
Autor: Vivien Günther
Projektzeitraum: 07.2018 - 09.2020
Ziel: Das transiente Umsatzverhalten eines Drei-Wege-Katalysators (TWC) wird in hohem Maße durch die Eigenschaften des verwendeten Sauerstoffspeichermaterials beeinflusst. Hierbei können zunächst für den Automobilhersteller durch Prüfstandversuche quantifizierbare Eigenschaften genannt werden, also beispielsweise: Die dynamische Sauerstoffspeicherkapazität; die Geschwindigkeit der Speichervorgänge; die während der Speichervorgänge auftretenden Emissionen; die Alterungsstabilität dieser Eigenschaften. Diese können als Anwendungseigenschaften zusammengefasst werden und können zur Beurteilung der Eignung des Katalysators bei der Emissionierung und On-Board Diagnose genutzt werden. Weiterhin kann eine Charakterisierung hinsichtlich von Materialeigenschaften erfolgen, die stärker mit dem Aufbau des Materials verknüpft sind, also beispielsweise: Die Zusammensetzung und auftretenden Phasen; die Oberfläche; die totale Sauerstoffspeicherfähigkeit; die Sauerstoffmobilität. Ziel des Projektes ist es, einen Brückenschlag zwischen Anwendungs- und Materialeigenschaften herzustellen. So wäre ein tieferes Verständnis der Funktionseigenschaften des Sauerstoffspeichers (Kapazität, Kinetik der jeweiligen, sich aus erst im Zuge der Alterung ausbildenden Feststoffphasen) auch für den Anwender nützlich, um zielgerichteter mit dem Materialentwickler zu kommunizieren. So könnten, z.B. Probleme wie sie von OBD-Funktionsonsverantwortlichen bei der Dynamikdiagnose von hinter Drei-Wege-Katalysatoren verbauten Lambda-Sonden mit Sprungcharakteristik beschrieben werden in eine dem Materialwissenschaftler verständliche Sprache/Werkstoffeigenschaft "übersetzt" werden. Das zentrale Bindeglied zwischen Material- und Anwendungseigenschaften sind die Simulationsmodelle, die Materialeigenschaften als Parameter beinhalten und eine Simulation des transienten Umsatzverhaltens des TWC unter realistischen Bedingungen ermöglichen. Die Ziele des vorliegenden Projektes sind daher:
a) Erstellung eines TWC-Modells, welches geeignete thermophysikalische Materialeigenschaften als wesentliche Modellparameter enthält.
b) Validierung und Parametersensitivitätsanalyse des Modells mittels geeigneter Messungen unter realistischen Betriebsbedingungen.
Autoren:Michal Pasternak
Projektzeitraum: 06.2016 - 02.2020
Ziel: Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung und Analyse von motorischen Zusammenhängen von variablen Ventilerhebungskurven auf auf Rohemissionen, Verbrauch, Abgastemperaturen und Wechselwirkungen. Dabei soll besonders auf die Vorhersage von NOx- HC- und CO-Rohemissionen eingegangen werden. Die Wechselwirkungen der variablen Ventilsteuerzeiten auf andere Komponenten des Luftpfades soll dabei ganzheitlich mit untersucht werden. Dafür wird eine Kombination aus 0-D-, Q-D-, 1-D- und auch 3-D-Simulationen basierend auf detaillierter chemischer Kinetik sowie Experimenten mit einem Einzylinder-Forschungsmotor mit vollvariablem Ventiltrieb vorgeschlagen.
Durch den Abgleich von 0-D, 1-D und 3-D Simulationsmodellen wird die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf bauähnliche Motoren der einzelnen Original Equipment Manufacturers (OEM) gewährleistet. Die voraussichtlichen Ergebnisse dieses Projekts sind:
- Umfangreiche Messdaten, die die verschiedentlichen Zusammenhänge des Einsatzpotentials variabler Ventiltriebe bei Dieselmotoren zeigen. Durch den Einsatz eines vollvariablen, elektrohydraulischen Ventiltriebs können die unterschiedlichen Effekte einzelner Ventilhubsstrategien gezielt dargestellt werden.
- Eine 0-D basierte Simulationsmethode, die die Effekte von variablen Ventilsteuerzeiten auf die Abgasemissionen in Dieselmotoren berechnen kann. Das stochastische Reaktormodell wird für einen vorgegeben Motor abgestimmt, um die Motorleistungs-parameter und die Abgasemissionen abhängig von der VVT Strategie und für das gesamte Motorkennfeld zu simulieren. Weiterhin erlaubt diese Methode eine Optimierung der VVT Strategie hinsichtlich der Minimierung der Rohemissionen.
Finanzierung: FVV-EM
Projektpartner:
- TU Berlin Institut für Land- und Seeverkehr FG Verbrennungskraftmaschinen, Berlin
- Universität Stuttgart IVK Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Stuttgart
Beteiligte Unternehmen:
- IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr, Berlin
- LOGE AB, Lund, Sweden
- LOGE GmbH, Cottbus, Deutschland
Autor: Jana Aslanjan
Simulation von Katalysatoren zur Abgasreinigung von Fahrzeugen, mit Hilfe von detailierten kinetischen Modellen
Autor: Tim Franken
Autor: Corinna Netzer
Modellierung der Emissionsbildung in turbulenten reaktiven Strömungen mit "CMC" Methoden
Autor: Larisa León de Syniawa
Detailed kinetic modeling of PAH formation and oxidation of fuels containing aromatic compounds
Autoren:Michal Pasternak, Fabian Mauß
Projektzeitraum: 2011
Overview:
To further improve efficiency of internal combustion engines, their development processes need to also consider fuels and their interactions with engine parameters, which influence output performance and exhaust emissions. In this work an integrated simulation approach for engine output performance parameter study and fuel testing under Diesel conditions is presented. A DI-SRM (Direct Injection Stochastic Reactor Model) that simulates engine in-cylinder processes has been coupled with OPAL (OPtimization ALgorithms) that provides means for improvement of the overall simulation process. By taking into consideration complex reaction mechanisms the prediction of engine exhaust emissions is enhanced. It is also possible to simulate, test, and compare different surrogates of Diesel fuel. This, together with low CPU cost and optimization capability makes the integrated tool useful for optimization of engine - fuel setups with a view towards high output performance and low emissions.
Mitwirkende:Larisa León de Syniawa, Ingo Dauster, Norbert Roht, Ulrich Brandt
With this experiment the concentration profiles of stable species should be measured during a combustion process. Therefore a plug-flow reactor is used. The temperature, the pressure, and the flow rates of the fuels and oxidizer gases are adjustable. For liquid fuels a vaporizer is installed.
The combustion process itself takes place inside of a quartz glass tube. Along the reaction zone the concentrations of stable species can be measured by a sample probe connected with an GC/MS-analyzer. The gas chromatograph has the task to separate the different species in the probe which afterwards can be identified with the help of a quadrupole mass spectrometer.
The position of the sample probe can be varied along the quartz glass tube. By changing the position of the sample probe the concentration profiles after different reaction times can be measured.
Technical data:
- Temperature range: 300 - 1200 °C
- Pressure range: 0 - 16 bar
- Heat power: about 10 kW
- Length of the measurement zone: about 0.5 m
- GC/MS: Agilent 6850 GC, 5975 MSD (quadrupole mass spectrometer)
Autoren:Michal Pasternak, Fabian Mauß
Projektzeitraum: 2009 - 2011
Overview:
The project deals with various aspects of modelling and simulation of a working cycle of a direct injection Diesel engine. The emphasis was placed on engine performance simulation and optimization, i.e. reducing engine-out emissions, with engines being fuelled with different hydrocarbon fuels. Simulations and modelling were performed under different engine operating conditions using complex chemical reaction mechanisms to represent fuel oxidation and emissions formation. Simulated were characteristics of fuels that can be considered as surrogates or surrogate components of real fuels used in Diesel engines. The performed investigations are seen as a first attempt towards virtual fuel test platform under Diesel engine conditions.
Abstract:
The characteristics of different hydrocarbon fuels were simulated under Diesel engine conditions. n-Heptane and its blends with iso-octane, and toluene have been considered as surrogates of a real Diesel fuel. A direct injection stochastic reactor model (DI-SRM) was used as a numerical tool. Simulations covered a broad range of operating conditions defined by variation of pressure (p) and temperature (T) at the inlet valve closure (IVC), and different EGR fractions. The fuel-air equivalence ratio (f) was kept constant for each fuel. The emission trends of the fuel together with the engine output performance were analysed in form of 2D maps. The maps relate a given engine parameter with p, T, and EGR variations.
The simulations revealed the capability of the DI-SRM to simulate accurately Diesel combustion conditions. Also the simulated engine performance parameters and engine-out emissions for the fuel blends, for which no experimental data are available show plausible trends. The simulation method presented here shows also a direct influence of changes of the initial pressure, temperature and EGR on the performance of each fuel excluding the influence of physical processes such as mixing or vaporisation. Furthermore, apart from the global results presented here (IMEP, HC, and NOx) with this method it is also possible to track the behaviour of other species and performance parameters such as pressure gradients, heat release rates, etc. The investigations presented in this work are part of more global optimisation strategy since the initial pressure and temperature are optimised parameters during engine calibration. This can be seen as a first attempt towards virtual fuel test platform under Diesel engine conditions.
Autoren:Michal Pasternak, Fabian Mauß, Philipp Meyer, Amruta Nawdiyal, Lars Seidel
Projektzeitraum: 2007 - 2008
Overview:
The project deals with chemical kinetic database organization that provides references for the analysis of combustion related phenomena in internal combustion engines. The organised database includes experimental results, reaction mechanisms and different type of simulations. During simulations the emphasis was placed on the characteristics of different fuels being simulated under conditions relevant to HCCI combustion mode. The simulations were performed using constant volume reactor model. Among others investigated were ignition delay, energy release processes, and emissions formation, including for example NO, CO, OH and CH2O. The organised database enables for different investigations and comparisons to be performed on processes relevant to combustion in internal combustion engines.
Abstract:
Chemical kinetic database has been organized that provides references for the analysis of combustion related phenomena in internal combustion engines. In the first part, the experiments and reaction mechanisms database were organized. This includes, experimental data for various fuels and their blends, coming from different authors and obtained with various experimental setups. The mechanisms database includes reaction mechanisms for number of fuels together with the results of their validation and exemplary applications. In the second part, the combustion related phenomena of several fuel models, including n-heptane, iso-octane, ethene, n-propylcyclohexane, toluene, and mixture of n-heptane and toluene, were numerically investigated. Considered phenomena include ignition delay, energy release processes, and pressure gradients and emissions formation, including NO, CO, OH and CH2O.
Simulations were performed using constant volume reactor with our in-house developed mechanisms, assuming HCCI combustion mode. These simulations covered wide range of operating conditions. The fuel-air equivalence ratio was varied between 0.3 and 1.5. The temperature and pressure in the reactor were varied between 700K and 1200K and 20bar and 100bar respectively. Four EGR fractions were considered: 0%, 20%, 50% and 70%. In the last part, the obtained simulations results were post-processed and presented in the form of maps (Kinetic Mapping). These maps express a given parameter (e.g. ignition delay, various emissions, etc.) as a function of different temperatures and fuel-air equivalence ratios. This provides global view on the parameter of interest over wide range of operating conditions. The organised during the project database enables for different investigations and comparisons to be performed. These may, among the other, include the effect of operating conditions, i.e. EGR fraction, pressure and temperature in the reactor, fuel-air equivalence ratio on ignition delay time, emissions, energy release process and pressure gradients for various fuels.
The presented material has been included in the Heft R 543 (2008), Informationstagung Motoren, Herbst 2008, Bremen.
Autoren: Vivien Günther, Fabian Mauß
Projektbeginn: 01.10.2012
Projektziel:
Validierung von kinetischen Parametern der epitaktischen Gasphasenabscheidung von Silizium(100).
Methode:
Dreidimensionale kinetische Monte Carlo Simulation (lehrstuhleigener Code) zur Abbildung des epitaktischen Kristallwachstums von Silizium(100) aus der Gasphase. Mithilfe des Simulationsprogramms StoSu werden die Rolle und die kinetischen Parameter der am Kristallwachstum beteiligten Spezies untersucht. Hierbei wird explizit die aktuelle Oberflächenmorphologie in Form von Dimeren, Dimerreihen, Stufen sowie der Anzahl und Art der nächsten Nachbarn berücksichtigt.
Autor: Chao Xu
Zeitraum: 2012 - 2013
Ziel:
Entwicklung eines chemischen Reaktionsmechanismus für die Rußbildung aus aromatischen Spezies
Abstract:
Die Verwendung eines Referenzkraftstoffes für Benzin bleibt andauernd ein attraktives Thema in der Industrie, der in chemischen und physikalischen Eigenschaften wie Zündverzugszeit, Flammengeschwindigkeit, Emissionsbildung (Ruß, NOx, CO, HC), Viskosität, usw. vergleichbar ist. Zur Benutzung des Referenzkraftstoffes in der CFD-Berechnung wird eine Entwicklung eines chemischen Reaktionsmechanismus für die Rußbildung aus aromatischen Spezies benötigt.
Autoren:Xiaoxiao Wang, Lars Seidel, Fabian Mauß
Zeitraum: 01.04.2010-31.03.2011
Ziel: Mechanism Development of a detailed Biodiesel reference fuel
Methode:
For this task, the latest version of n-decane/ alpha-methylnaphthalene is used, and expanded with oxidation of methy decanoate which is described with the similar reaction classes from literature. It is advisable to use a methyl ester with long chain to properly capture the behavior at low and high temperature ignition, and the negative temperature coefficient regime (NTC).
Autoren:Michal Pasternak, Fabian Mauß
Projektzeitraum:
Overview:
A self-calibrating method for the simulation of Diesel combustion and exhaust emission has been developed. The method employs a zero-dimensional direct injection stochastic reactor model (DI-SRM) for engine in-cylinder processes simulations, and Genetic Algorithms (GA) for the determination of mixing time that is a main modelled parameter for the DI-SRM. The method can be understood as an extended heat release analysis. It relies on the optimisation of mixing time model parameters until an agreement between the simulated and the experimental in-cylinder pressure, and exhaust emission has been achieved. Plausibility of the method has been verified by comparison of the optimized mixing time history with the results from the 3D CFD calculations, carried out for the same engine and operating point. Due to automatic determination of model parameters,the overall time required for complete engine model calibration decreases significantly. In the same time, the accuracy of calibration increases when compared to manual calibration. The presented method has been integrated into a global engine simulation method, which includes also engine performance optimization and tests of different fuels under Diesel conditions.