Untersuchungen zur Minimierung der Partikelemissionen an einem aufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotor

Abstract

Derzeit gilt das Konzept der Direkteinspritzung in Verbindung mit Aufladung und Downsizing als effektivste Technologie, um den Kraftstoffverbrauch bei Ottomotoren zu senken und so den mit Beginn des Jahres 2012 in Kraft getretenen Emissionsgrenzwert der Europäischen Union von 120 g CO2/km zu erreichen. Das Konzept der Direkteinspritzung bewirkt jedoch systembedingt einen Anstieg der Partikelemissionen, wodurch ein Zielkonflikt mit der 2014 in Kraft tretenden EURO6-Abgasnorm entsteht. Diese sieht eine Limitierung der Partikelanzahl im Abgas von direkteinspritzenden Ottomotoren vor.<br />Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neben den Betrachtungen der Grundlagen der Aerosolphysik, welche die Voraussetzungen für das Verständnis der Materie darstellen, Untersuchungen an einem stationären Motorprüfstand durchgeführt. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen, nach einer Basisvermessung des Motors, die Auswirkungen der Variation unterschiedlicher Parameter auf die innermotorische Partikelbildung, um die Bedatung des eingesetzten Applikationssteuergeräts (RPEMS) zu optimieren und auf diesem Wege die Partikelemission im NEFZ zu reduzieren. Anschließend wurde der NEFZ auf dem Stationärprüfstand simuliert, um das Partikelreduktionspotenzial der Kennfeldoptimierung im Vergleich zur Basisbedatung bewerten zu können. Ergänzend wurde eine Analyse hinsichtlich der Substitution biogener Kraftstoffanteile zu konventionellem Ottokraftstoff durchgeführt. Dabei wurde der Ethanolanteil des Kraftstoffs variiert und dessen Potenzial hinsichtlich Partikelminimierung in stationären Betriebspunkten und im NEFZ untersucht.<br />

Currently, the direct injection concept in combination with exhaust-gas turbocharging is the most effective technology to reduce the fuel consumption of spark ignition engines. This allows to stay within the emission limits of 120 g CO2/km established by the European Union at the beginning of 2012.<br />However, the concept of direct injection leads to increased exhaust particle emission, which will be in conflict with the EURO6 emission standard that will be effective in 2014. The new emission standard requires limited exhaust particle emission of spark ignition engines with direct injection.<br />In this study, tests were conducted using a stationary engine test stand and principles of aerosol physics are discussed to help understand the underlying problems. The focus of this analysis was a base survey of the engine as well as an examination of the influence of different parameters on the appearance of particulate matter. This information could then be used to optimize the dataset of the application control unit (RPEMS) and to reduce the particle emissions that are emitted during the NEDC. Afterwards the NEDC was simulated on the stationary engine test stand to quantify the ability to reduce particle emission of the optimized dataset relative to the basic dataset. In addition, an analysis concerning substitution of the biogenic fuel portion to conventional gasoline was conducted. For this purpose, the effect of varying ethanol amounts in fuel were tested to detect the potential of particle reduction in stationary operating points and during the NEDC.<br />