Wirkungsgradsteigerung am Ottomotor durch Kraftstoffreformierung mit Abgas

Abstract

Neben dem fortschreitenden Bestreben nach klimafreundlicher, CO2-neutraler Mobilität der Gesellschaft und zunehmender Emissionsrestriktionen durch die Gesetzgebung bekommt der Verbrennungsmotor Konkurrenz durch eine steigende Anzahl an alternativen Antrieben. Um in diesem Feld auch zukünftig noch attraktiv zu sein, ist ein weiteres Streben nach höheren effektiven Wirkungsgraden von Verbrennungskraftmaschinen unabdingbar. Letzte Entwicklungsschritte bei Ottomotoren umfassten Maßnahmen wie Miller- /Atkinson-Steuerzeiten, VTG-Turboaufladung, Zylinderdeaktivierung oder externe gekühlte Abgasrückführung. Mit der Integration und Erweiterung einer externen Abgasrückführung am Ottomotor ergibt sich die Möglichkeit, eine weitere Verbrauchsabsenkung durch Kraftstoffreformierung mit Abgasenergie zu erzielen. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, welche maximalen effektiven Wirkungsgrade sich an einem 1.5l-Turbo-Ottomotor durch Verdichtungsanhebung und Abgasrückführung in Kombination mit Kraftstoffreformierung bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis erzielen lassen. Der Fokus liegt dabei auf der Kraftstoffreformierung. Ziel dieser Arbeit ist es eine Reformereinheit in eine externe gekühlte AGR-Strecke zu integrieren und anhand von experimentellen Untersuchungen aufzuzeigen, in welchem Ausmaß der effektive Wirkungsgrad bei AGR-Betrieb durch eine zusätzliche Reformierungseinheit angehoben werden kann. Zudem soll gezeigt werden, unter welchen Betriebsbedingungen die Reformereinheit den effektiven Wirkungsgrad auf ein Maximum steigert und wo die Grenzen einer sinnvollen Anwendung der Reformierung am ausgewählten Versuchsträger liegen. Neben handelsüblichem Benzin (E5) wird die Kraftstoffreformierung zusätzlich mit Methanol und Ethanol untersucht und die Eignung dieser Kraftstoffe zur Reformierung dargestellt. Der Untersuchungsbereich beschränkt sich dabei auf einen engen Kennfeldbereich um den Sweet-Spot. Dies ist mit einer möglichen Anwendung in einem Hybridantriebsstrang, mit Betrieb bei geringem spezifischen Kraftstoffverbrauch (Lastpunktverschiebung), zu begründen. Aus den experimentellen Untersuchungen geht hervor, dass sich durch eine alleinige Verdichtungsanhebung von ԑ = 12,5 auf 13,3 der maximale Wirkungsgrad nur marginal anheben lässt. Eine deutlich stärker ausgeprägte Wirkungsgradsteigerung wird in aufgeladenen Betriebsbereichen mit der Verwendung von gekühltem, extern rückgeführtem Abgas in einer Niederdruckkonfiguration erzielt. Die höchsten effektiven Wirkungsgrade am untersuchten Versuchsträger werden durch Kraftstoffreformierung mit Methanol generiert und erzielen Werte, die einer Wirkungsgradsteigerung von 6,4% gegenüber Serienkonfiguration entsprechen. Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen wird ein Motormodell in GT-Power erstellt und eine TPA (Three Pressure Analysis) durchgeführt. Damit können die innermotorischen Vorgänge besser aufgezeigt und die Wirkmechanismen bei der Kraftstoffverbrauchssenkung analysiert werden (Verlustanalyse).

In addition to society’s progressive efforts towards climate friendly, CO2-neutral mobility and increasing emission restrictions through legislation, the internal combustion engine is facing competition from an increasing number of alternative drives. In order to remain attractive in this field, further striving for higher effective efficiencies of internal combustion engines is essential. The latest development steps in Otto engines included measures such as Miller- /Atkinson control times, VNT turbocharging, cylinder deactivation and externally cooled exhaust gas recirculation. With the integration and extension of an external exhaust gas recirculation in the gasoline engine, there is the possibility of achieving a further reduction in fuel consumption through fuel reforming with exhaust gas energy. This work shows the maximum effective efficiencies that can be achieved in a 1,5l turbocharged gasoline engine by increasing compression ratio and exhaust gas recirculation in combination with fuel reforming at a stoichiometric air/fuel ratio. The focus is on the fuel reformation. The aim of this doctoral dissertation is to integrate a reformer unit into an externally cooled EGR line and to show, based on experimental investigations, to what extent the effective efficiency during EGR operation can be increased by an additional reforming unit. In addition, it should be shown under which operating conditions the reformer unit increases the effective efficiency to a maximum and where the limits of a sensible application of the reformer on the selected test engine lie. In addition to commercial gasoline (E5), fuel reforming is also examined with methanol and ethanol and the suitability of these fuels for reforming is demonstrated. The examination area was limited to a narrow area around the sweet spot. This is due to a possible application in a hybrid drive train in areas with low specific fuel consumption (load point shift). The experimental investigations show that an increase in compression ration from ԑ = 12,5 to 13,3 increases the maximum efficiency only marginally. A significantly more pronounced increase in efficiency is achieved in supercharged operating ranges with the use of externally recirculated and cooled exhaust gas in a low-pressure configuration. The highest effective efficiencies on the tested engine are generated by fuel reforming with methanol and achieve values that corresponded to an increase in efficiency of 6,4% compared to the series configuration. In addition to the experimental investigations, a TPA (three pressure analysis) simulation is created in order to evaluate the efficiency-increasing effects to a loss analysis.