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InForm - Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH ...

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<strong>InForm</strong><br />

Ausgabe 2/2009<br />

Newsletter des <strong>Lehrstuhl</strong>s für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong> Aachen<br />

Aktuelles 1-2<br />

Forschung & Technik 2-7<br />

Seminare 7<br />

Impressum 8<br />

AKTUELLES<br />

Spatenstich für Center for Mobile<br />

Propulsion erfolgt<br />

Mit dem Center for Mobile Propulsion (CMP) wird<br />

die <strong>RWTH</strong> Aachen University ein weltweit einmaliges<br />

Forschungszentrum erhalten. Insgesamt werden<br />

51 Millionen Euro investiert, Ende 2010 soll<br />

<strong>der</strong> Bau stehen.<br />

Mit dem Spatenstich für das CMP am 13. Oktober<br />

2009 wurde die Bauphase <strong>der</strong> neuen Versuchshalle<br />

und des neuen Bürogebäudes des VKA eingeleitet.<br />

Nach einer intensiven Pl<strong>an</strong>ungs- und Genehmigungsphase<br />

können nun die Neubauten<br />

realisiert werden.<br />

Zum Spatenstich (Abb. 1) betonten d<strong>an</strong>n auch <strong>der</strong><br />

Rektor Professor Ernst Schmachtenberg und<br />

Staatssekretär Dr. Michael Stückradt die außerordentliche<br />

Zielsetzung des Projekts. Die Inhalte und<br />

Forschungsvision wurden von Professor<br />

Stef<strong>an</strong> Pischinger dargestellt.<br />

Fokus. Vor diesem Hintergrund werden hier Forschungsprojekte<br />

verschiedener Disziplinen bearbeitet.<br />

Es werden gleichzeitig effizientere Elektromotoren<br />

und Speichersysteme sowie Verbrennungsmotoren<br />

erforscht. Dabei werden alle Komponenten<br />

<strong>der</strong> Antriebstechnik – etwa Batterie, Getriebe<br />

o<strong>der</strong> Motor – beh<strong>an</strong>delt und die gemeinsame<br />

Nutzung mittels einer Echtzeitvernetzung dargestellt.<br />

Zudem k<strong>an</strong>n das Zusammenspiel <strong>der</strong><br />

Komponenten in den Antriebsstr<strong>an</strong>gprüfständen<br />

untersucht werden. Eine wichtige Querschnittsfunktion<br />

nimmt dabei die Steuerung und Regelung<br />

dieser Systeme ein. Mit <strong>der</strong> gemeinsamen Forschung<br />

<strong>an</strong> allen Komponenten <strong>der</strong> Antriebstechnik<br />

unter einem Dach entsteht damit ein bisher einzigartiges<br />

Forschungszentrum.<br />

Abb. 2: Center for Mobile Propulsion<br />

Insgesamt werden 18 Prüfzellen für Komponenten-<br />

und Gesamtuntersuchungen mit einer zugehörigen<br />

Rüstwerkstatt auf über 3000 m² Fläche<br />

errichtet. D<strong>an</strong>eben werden Seminarräume für die<br />

Lehre, Laborflächen und neue Büros entstehen,<br />

welche in Summe ebenfalls rund 3000 m² umfassen.<br />

Die Ausrüstung und Inbetriebnahme <strong>der</strong> Prüfzellen<br />

wird im Frühjahr 2011 erfolgen.<br />

Abb. 1: Spatenstich CMP<br />

Im neuen CMP wird das VKA gemeinsam mit 15<br />

weiteren Instituten aus den Fakultäten für Maschinenwesen,<br />

Elektrotechnik und Naturwissenschaften<br />

kooperieren. Dabei steht die Vision <strong>der</strong> Halbierung<br />

von CO 2 -Emissionen mobiler Antriebe im<br />

Dipl.-Ing. Ulrich Grütering<br />

Tel.: +49 241 80-95355<br />

Fax: +49 241 80-92630<br />

gruetering@vka.rwth-aachen.de<br />

Copyright VKA / <strong>RWTH</strong> AACHEN University 1


VKA Newsletter, Ausgabe 2/2009<br />

Aldenhoven Testing Center<br />

Mit dem Spatenstich für<br />

den ersten Bauabschnitt,<br />

fin<strong>an</strong>ziert durch die <strong>RWTH</strong><br />

Aachen University, wurde<br />

im Juni 2009 <strong>der</strong> Startschuss<br />

für das Aldenhoven<br />

Testing Center (ATC) gesetzt. In Kooperation<br />

mit <strong>der</strong> Automotive Center for Industry GmbH<br />

(ACI), <strong>der</strong>en Aufsichtsratsvorsitzen<strong>der</strong> <strong>der</strong> Dürener<br />

L<strong>an</strong>drat Wolfg<strong>an</strong>g Spelthahn ist, und <strong>der</strong> <strong>RWTH</strong><br />

Aachen University entsteht auf rund 45.000 Quadratmetern<br />

zunächst eine Fahrdynamik- und Verkehrssimulationsfläche<br />

mit einem Durchmesser<br />

von 210 Metern, welche auf dem ehemaligen Gelände<br />

<strong>der</strong> Zeche Emil Mayrisch gelegen ist.<br />

eine 400 m l<strong>an</strong>gen Beschleunigungsspur. Weiterhin<br />

hält sie einer Last von 44 t st<strong>an</strong>d und verfügt<br />

über eine unabhängige Rückführung, die einen<br />

kontinuierlichen Testlauf ermöglicht.<br />

Mitte 2010 wird das Testzentrum mit GALILEO<br />

Pseudoliten ausgestattet. Diese sind Teil des Projektes<br />

GALILEO above (Anwendungszentrum für<br />

bodengebundenen Verkehr). Ab dem Frühjahr<br />

2012 soll es möglich sein in dieser Galileo-Testund<br />

Entwicklungsumgebung Anwendungen im<br />

Bereich Automotive für das zukünftige europäische<br />

Satellitennavigationssystem Galileo schon<br />

vor dessen Betriebsstart zu testen,<br />

www.automotivegate.de.<br />

Bis 2011 sollen weitere Testeinrichtungen realisiert<br />

werden:<br />

■ Ovalrundkurs für PKW und LKW, querkraftfreies<br />

Fahren bis zu 130 km/h, maximale Geschwindigkeit<br />

200 km/h<br />

■ Eine Bremsstrecke mit verschieden Oberflächen<br />

und unterschiedlichen Reibwerten<br />

■ Schlechtwegstrecke mit speziellen künstlichen<br />

Hin<strong>der</strong>nissen zur Fahrkomfortbewertung von<br />

PKW und LKW<br />

Abb. 1: Aufbaupl<strong>an</strong> des Testing Center<br />

Das Grundstück wurde vom Kreis Düren zur<br />

Verfügung gestellt. Die <strong>RWTH</strong> Aachen University<br />

fin<strong>an</strong>ziert das Projekt mit drei Millionen Euro,<br />

wobei sich drei Forschungseinrichtungen (Institut<br />

für Kraftfahrzeuge (ika), <strong>Lehrstuhl</strong> für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong><br />

(VKA) und Institut für<br />

Regelungstechnik (irt)) als zukünftige Hauptnutzer<br />

fin<strong>an</strong>ziell direkt beteiligt haben.<br />

■ Steigungshügel mit Steigungen bis zu 40 %<br />

Über das Aldenhoven Testing Center k<strong>an</strong>n auch<br />

die Nutzung <strong>der</strong> bereits vorh<strong>an</strong>denen zweispurigen<br />

Autobahn (Gesamtlänge 2.300 m – 2 Elemente<br />

mit je 1000 m) <strong>an</strong>gemeldet werden.<br />

Auf <strong>der</strong> Website www.atc.rwth-aachen.de erhalten<br />

Sie weitere aktuelle Infos.<br />

Bei technischen Fragen und zur Buchung wenden<br />

Sie sich bitte <strong>an</strong> uns.<br />

Dipl.-Ing. Michael Wittler<br />

Tel.: +49 241 80-95370<br />

Fax: +49 241 80-92630<br />

wittler@vka.rwth-aachen.de<br />

Abb. 2: Luftbild des ATC in <strong>der</strong> Bauphase<br />

Seit Oktober 2009 ist mit <strong>der</strong> Fahrdynamikfläche<br />

das erste Streckenelement nutzbar. Die Strecke<br />

umfasst einen befahrbaren Radius von 100 m und<br />

FORSCHUNG & TECHNIK<br />

Akustik und Schwingungen von<br />

Hybridfahrzeugen<br />

Hybridspezifische NVH-Themen<br />

Hybridfahrzeuge unterscheiden sich auch in akustischer<br />

und vibratorischer Hinsicht deutlich von<br />

konventionellen Fahrzeugen. Sonst unauffällige<br />

Geräusch<strong>an</strong>teile können durch das fehlende<br />

Verbrennungsmotorgeräusch demaskiert und da-<br />

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VKA Newsletter, Ausgabe 2/2009<br />

mit domin<strong>an</strong>t und störend werden. Die Entkopplung<br />

von Fahrzust<strong>an</strong>d und Verbrennungsmotorbetriebszust<strong>an</strong>d<br />

führt zu unerwartetem akustischem<br />

Verhalten. Durch die neuen Komponenten und<br />

Betriebszustände treten neuartige akustische Phänomene<br />

wie das Rekuperationsgeräusch auf.<br />

Neue Betriebszustände, insbeson<strong>der</strong>e <strong>der</strong> häufige<br />

Start und Stopp des Verbrennungsmotors, auch<br />

während <strong>der</strong> Fahrt, können zu akustischen o<strong>der</strong><br />

vibratorischen Auffälligkeiten führen. Hier bieten<br />

die zusätzlichen Freiheitsgrade des hybriden Antriebsstr<strong>an</strong>gs<br />

Möglichkeiten das Schwingungsverhalten<br />

positiv zu beeinflussen. Anh<strong>an</strong>d eines<br />

Mehrkörpersimulationsmodells des Antriebsstr<strong>an</strong>gs<br />

wird gezeigt, wie dessen tieffrequente<br />

Schwingungen durch gezielte Steuerung und Regelung<br />

<strong>der</strong> Elektromotoren deutlich reduziert werden<br />

können.<br />

Demaskierung von Geräuschen<br />

Bei Fahrzuständen mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor<br />

treten akustische Phänomene in den<br />

Vor<strong>der</strong>grund, die bei konventionellen Fahrzeugen<br />

durch das Geräusch des Verbrennungsmotors<br />

maskiert werden. Typische Beispiele hierfür sind<br />

das Pumpengeräusch <strong>der</strong> elektrischen Wasserpumpe<br />

und <strong>der</strong> Unterdruckpumpe, das Lüfter- und<br />

das Rollgeräusch sowie Umweltgeräusche.<br />

Abb. 1: Innengeräuschspektrum <strong>der</strong> Lüftungs<strong>an</strong>lage<br />

bei verschiedenen Gebläsestufen<br />

In Abbildung 1 ist das Innengeräuschspektrum<br />

einer Lüftungs<strong>an</strong>lage bei verschiedenen Gebläsestufen<br />

dargestellt. Zusätzlich zeigt <strong>der</strong> graue Bereich<br />

das Leerlaufinnengeräuschspektrum von<br />

typischen Otto- und Dieselmotoren. Das Lüftergeräusch<br />

wird bis zur Stufe 3 durch das Motorgeräusch<br />

weitgehend maskiert. Ein im Leerlauf in<br />

den Vor<strong>der</strong>grund tretendes Lüftungsgeräusch aufgrund<br />

<strong>der</strong> immer geringeren Motorgeräusche ist<br />

ein schon seit Jahren stetiger Trend. Bei Hybridfahrzeugen<br />

sind leisere Lüftungsgeräusche aufgrund<br />

des häufig abgeschalteten Verbrennungsmotors<br />

noch wichtiger.<br />

Akustisches Verhalten<br />

Bei konventionellen, alleine durch einen Verbrennungsmotor<br />

<strong>an</strong>getriebenen Fahrzeugen, besteht<br />

ein Zusammenh<strong>an</strong>g zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit<br />

und Motordrehzahl. Das Fahrzeuginnengeräusch<br />

empfindet <strong>der</strong> Fahrer als Feedback des<br />

Fahrzust<strong>an</strong>des.<br />

Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]<br />

160<br />

140<br />

120<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

Fahrzeuggeschwindigkeit<br />

Verbrennungsmotordrehzahl<br />

6000<br />

5000<br />

4000<br />

3000<br />

2000<br />

1000<br />

0 5 10 15 20 25 30 35 40<br />

Zeit [s]<br />

Abb. 2: Fahrzeuggeschwindigkeit und Verbrennungsmotordrehzahl<br />

bei Volllastbeschleunigung<br />

eines Fahrzeugs mit leistungsverzweigtem<br />

Hybrid<strong>an</strong>trieb<br />

G<strong>an</strong>z im Gegenteil gilt für Hybridfahrzeuge, dass<br />

die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht allein vom<br />

Verbrennungsmotor bestimmt ist, son<strong>der</strong>n je nach<br />

Konfiguration zusätzlich vom Betriebszust<strong>an</strong>d des<br />

o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Elektromotoren. Es gibt häufig keinen<br />

eindeutigen Zusammenh<strong>an</strong>g zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit<br />

und Motordrehzahl, was darauf<br />

zurückzuführen ist, dass die Drehzahl des<br />

Verbrennungsmotors auch durch die Last<strong>an</strong>for<strong>der</strong>ung<br />

und den Batteriezust<strong>an</strong>d beeinflusst wird.<br />

Abbildung 2 zeigt die Motordrehzahl und die Geschwindigkeit<br />

eines Hybridfahrzeugs während einer<br />

Volllastbeschleunigung.<br />

0<br />

Motordrehzahl [1/min]<br />

Die Fahrzeuggeschwindigkeit steigt kontinuierlich,<br />

die Motordrehzahl hingegen zeigt zu Beginn <strong>der</strong><br />

Beschleunigung einen Sprung und bleibt ab ca.<br />

15 s nahezu konst<strong>an</strong>t. Dieser Drehzahlverlauf verursacht<br />

ein gegenüber dem konventionellen Antriebsstr<strong>an</strong>g<br />

ungewöhnliches Innengeräusch („Motorbooteffekt“).<br />

Hier gilt es, einen ausgewogenen<br />

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VKA Newsletter, Ausgabe 2/2009<br />

Kompromiss zwischen dem erwarteten akustischen<br />

Feedback und <strong>der</strong> Leistungs<strong>an</strong>for<strong>der</strong>ung zu<br />

finden.<br />

Beson<strong>der</strong>e akustische Phänomene<br />

Ein hybri<strong>der</strong> Antriebsstr<strong>an</strong>g zeichnet sich gegenüber<br />

dem konventionellen Antrieb durch zusätzliche<br />

Komponenten aus, wie z. B. Elektromotoren,<br />

Schaltgeräte und Hochsp<strong>an</strong>nungsbatterie, die zu<br />

beson<strong>der</strong>en akustischen Phänomenen führen<br />

können:<br />

■ Nie<strong>der</strong>frequente Schwingungen des Antriebsstr<strong>an</strong>gs<br />

bei Verbrennungsmotorstart/-stopp<br />

und Lastwechsel<br />

■ Geän<strong>der</strong>te Trägheitsmomente und Eigenfrequenzen<br />

im Antriebsstr<strong>an</strong>g<br />

■ „Straßenbahngeräusch“: Magnetisches Geräusch<br />

des Motors/Generators bei elektrischer<br />

Fahrt und beim regenerativen Bremsen<br />

■ Aerodynamische Geräusche des Batteriekühlungssystems<br />

■ Schaltgeräusche <strong>der</strong> Leistungssteuergeräte<br />

Ein g<strong>an</strong>z wesentlicher Punkt, <strong>der</strong> bei <strong>der</strong> Entwicklung<br />

von hybriden Antriebssträngen beachtet werden<br />

muss, ist das häufige Starten und Stoppen<br />

des Verbrennungsmotors. In Abhängigkeit vom<br />

Hybridkonzept erfolgt dieses bei geringer Last<strong>an</strong>for<strong>der</strong>ung<br />

auch häufig während <strong>der</strong> Fahrt.<br />

An<strong>der</strong>erseits ergeben sich durch die neuen Komponenten<br />

im Antriebsstr<strong>an</strong>g auch Möglichkeiten,<br />

diesen komfortmin<strong>der</strong>nden Effekten entgegenzuwirken.<br />

Im Folgenden wird dies am Beispiel eines<br />

leistungsverzweigten Hybridfahrzeuges näher erläutert.<br />

Abbildung 3 zeigt dessen Antriebsaggregat<br />

als Verbund aus Pl<strong>an</strong>etengetriebe und V6 3,3 l<br />

Ottomotor (VM) des Versuchsträgers.<br />

Die Kurbelwelle ist mit dem Pl<strong>an</strong>etenträger eines<br />

Pl<strong>an</strong>etengetriebes (PG1) verbunden. Der Motor/Generator<br />

1 (MG1) treibt das Sonnenrad <strong>an</strong><br />

und das Hohlrad ist mit dem Hohlrad eines zweiten<br />

Pl<strong>an</strong>etengetriebes (PG2) fest verbunden. Motor/Generator<br />

2 (MG2) treibt das Sonnenrad des<br />

Pl<strong>an</strong>etengetriebes PG2 <strong>an</strong> und <strong>der</strong> Pl<strong>an</strong>etenträger<br />

von Pl<strong>an</strong>etengetriebe PG2 ist fest mit dem Gehäuse<br />

verbunden.<br />

Pl<strong>an</strong>etengetriebe 2 Pl<strong>an</strong>etengetriebe 1<br />

Ritzel<br />

Verbundene<br />

Motor/Ge-<br />

Hohlrä<strong>der</strong><br />

Motor/Generator<br />

2<br />

nerator 1<br />

(MG2)<br />

Ritzel<br />

(MG1)<br />

Verbren-<br />

Sonnennungsmotorad<br />

(VM)<br />

Parkzahnrad<br />

Sonnenrad<br />

Vorgelegeradeinheit<br />

Differential<br />

Schwungrad<br />

Abb. 3: Antriebsaggregat des Vollhybrid<br />

Dadurch ergibt sich ein festes Übersetzungsverhältnis<br />

vom MG2 zum Hohlrad und damit auch<br />

zum Rad.<br />

Durch geeignete Steuerung und Regelung <strong>der</strong><br />

Elektromotormomente ergeben sich Möglichkeiten<br />

schwingungsmin<strong>der</strong>nd in den Antriebsstr<strong>an</strong>g einzugreifen.<br />

Dies wurde <strong>an</strong>h<strong>an</strong>d eines Mehrkörpersimulationsmodells,<br />

welches auch die Regelungseffekte<br />

einschließt, untersucht. In Abbildung 4 wird<br />

<strong>der</strong> simulierte Startvorg<strong>an</strong>g des Verbrennungsmotors<br />

während <strong>der</strong> Fahrt mit und ohne Regelung<br />

verglichen.<br />

Anlassen<br />

Verbrennungsbeginn<br />

Antriebswellenungleichförmigkeit<br />

25<br />

10<br />

0<br />

Hochpassfilter 1,6 Hz<br />

-10<br />

-20<br />

3 3.5 4 t/s<br />

5 5.5 6<br />

1<br />

Fzg-beschleunigung<br />

0.5<br />

0<br />

-0.5<br />

Hochpassfilter 1,6 Hz<br />

-1<br />

3 3.5 4 t/s<br />

5 5.5 6<br />

125<br />

MG1-Drehmoment<br />

75<br />

25<br />

-25<br />

3 3.5 4 mit Regelung<br />

ohne Regelung<br />

t/s<br />

5 5.5 MG2- Drehmoment<br />

6<br />

-175<br />

-185<br />

-190<br />

-195<br />

-200<br />

3 3.5 4 t/s<br />

5 5.5 6<br />

Abb. 4: Antriebsstr<strong>an</strong>gsimulation des Startvorg<strong>an</strong>gs<br />

mit und ohne Regelung<br />

1/min<br />

m/(s²)<br />

Nm<br />

Nm<br />

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VKA Newsletter, Ausgabe 2/2009<br />

Ohne Regelung liefert MG2 das konst<strong>an</strong>te Antriebsmoment<br />

zur Fahrzeugbeschleunigung. MG1<br />

ist zweimal aktiv: Beim Anlassen schleppt dieser<br />

den Verbrennungsmotor auf ca. 1000 1/min hoch.<br />

Ab Verbrennungsbeginn muss das Moment des<br />

Verbrennungsmotors abgestützt werden.<br />

Mit Regelung ist in <strong>der</strong> Anlassphase <strong>der</strong> dynamische<br />

Eingriff <strong>der</strong> Anlassmomentsteuerung in den<br />

MG1 zu erkennen. Hierdurch werden die maximale<br />

Amplituden <strong>der</strong> Antriebswellendrehungleichförmigkeit<br />

und die Fahrzeugbeschleunigung etwa auf<br />

ein Viertel reduziert. Nach Verbrennungsbeginn ist<br />

die Ruckelregelung mit MG2 aktiv. Die maximalen<br />

Amplituden <strong>der</strong> Antriebswellendrehungleichförmigkeit<br />

und die Fahrzeugbeschleunigung werden auf<br />

ein Drittel reduziert. In <strong>der</strong> Vergleichsmessung am<br />

Fahrzeug bestätigt sich das berechnete geringe<br />

Niveau <strong>der</strong> Schwingungen.<br />

Die hier dargestellten Ergebnisse basieren zum<br />

großen Teil auf den Arbeiten im Rahmen eines<br />

Forschungsprojektes, welches durch die Forschungsvereinigung<br />

Antriebstechnik e.V. (FVA)<br />

geför<strong>der</strong>t und am <strong>Lehrstuhl</strong> für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong><br />

(VKA) <strong>der</strong> <strong>RWTH</strong> Aachen University<br />

durchgeführt wurde.<br />

Dipl.-Ing. Michael Wittler<br />

Tel.: +49 241 80-95370<br />

Fax: +49 241 80-92630<br />

wittler@vka.rwth-aachen.de<br />

SCR am Otto-DI Motor<br />

Mager betriebene direkteinspritzende Ottomotoren<br />

weisen ein hohes Kraftstoffeinsparpotential auf<br />

und tragen somit zur Reduktion von CO 2 -<br />

Emissionen bei. Bedingt durch die überstoichiometrische<br />

Verbrennung im Teillastbetrieb ist die<br />

alleinige Abgasnachbeh<strong>an</strong>dlung durch den für<br />

Lambda=1 betriebene Otto-Motoren typischen<br />

Drei-Wege-Katalysator hinsichtlich <strong>der</strong> Stickoxidemissionen<br />

nicht ausreichend. In heutigen Serienapplikationen<br />

werden für die zusätzliche Stickoxidreduzierung<br />

NO x -Speicherkatalysatoren eingesetzt.<br />

Der Einsatz von NO x -Speicherkatalysatoren ist<br />

unter <strong>an</strong><strong>der</strong>em durch einen geringen Temperaturbereich<br />

für optimale Stickoxidreduktion eingeschränkt.<br />

Bei niedrigen Temperaturen ist die<br />

Stickoxidreduktion durch unvollständige Regeneration<br />

und durch eine geringe Oxidationsrate limitiert.<br />

Hohe Temperaturen führen zu einer Instabilität<br />

<strong>der</strong> gespeicherten Stickoxid-Spezies.<br />

Die selektive katalytische Reduktion (SCR-<br />

Technologie) ist bei Dieselapplikationen im Serieneinsatz<br />

und stellt in Kombination mit mager<br />

betriebenen direkteinspritzenden Otto-Motoren<br />

eine Alternative zum NO x -Speicherkatalysator dar.<br />

Für die Beurteilung <strong>der</strong> Anwendbarkeit <strong>der</strong> SCR-<br />

Technologie in Kombination mit mager betriebenen<br />

direkteinspritzdenden Otto-Motoren werden<br />

die aus <strong>der</strong> Diesel<strong>an</strong>wendung bek<strong>an</strong>nten Untersuchungsmethoden<br />

und Applikations-Tools übernommen.<br />

Es werden 1D-Temperatur- und Konversionssimulation,<br />

CFD-Simulation <strong>der</strong> AdBlue-<br />

Dosierung und Untersuchungen <strong>an</strong> einem Laborgas-<br />

und Motorenprüfst<strong>an</strong>d durchgeführt. Final<br />

wird ein Demonstratorfahrzeug mit AdBlue-<br />

Dosierung und SCR-Katalysator aufgebaut und<br />

hinsichtlich des Stickoxidreduktionspotentials auf<br />

einem Abgasrollenprüfst<strong>an</strong>d <strong>an</strong>alysiert.<br />

Das NO 2 /NO x -Verhältnis hat einen großen Einfluss<br />

auf die Stickoxidreduktion insbeson<strong>der</strong>e bei niedrigen<br />

Temperaturen. Der niedrige NO 2 -Anteil im<br />

Rohabgas wird bei Diesel<strong>an</strong>wendungen typischerweise<br />

durch einen Dieseloxidationskatalysator<br />

erhöht. Es wird ein äquimolares Verhältnis zwischen<br />

Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid <strong>an</strong>gestrebt.<br />

Das NO-Oxidationspotential von Drei-Wege-<br />

Katalysatoren im Vergleich zu Dieseloxidationskatalysatoren<br />

wird auf einem Laborgasprüfst<strong>an</strong>d untersucht.<br />

Augenmerk wird insbeson<strong>der</strong>e auf die<br />

Abhängigkeiten <strong>der</strong> Temperatur, <strong>der</strong> Raumgeschwindigkeit,<br />

<strong>der</strong> Abgaszusammensetzung, <strong>der</strong><br />

Beschichtung und <strong>der</strong> hydrothermalen Alterungszustände<br />

auf die NO 2 -Bildung gelegt.<br />

Abb. 1: NO 2 -Bildungspotential verschiedener<br />

Katalysatoren im frischen Zust<strong>an</strong>d auf einem<br />

Laborgasprüfst<strong>an</strong>d<br />

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VKA Newsletter, Ausgabe 2/2009<br />

Die Untersuchungen zeigen ein unzureichendes<br />

NO 2 /NO x - Verhältnis stromabwärts des Drei-<br />

Wege-Katalysators, vgl. Abb. 1.<br />

Aus den Ergebnissen <strong>der</strong> Laborgasprüfst<strong>an</strong>dsuntersuchungen<br />

ergibt sich die Notwendigkeit eines<br />

Oxidationskatalysators in Kombination mit den<br />

typischerweise eingesetzten Drei-Wege-<br />

Katalysatoren. Für die Auslegung des Oxidationskatalysators<br />

und des SCR-Katalysators werden<br />

1D-Simulationen eingesetzt.<br />

Für eine optimale Stickoxidreduktion bei gleichzeitiger<br />

Vermeidung von Ammoniakschlupf ist die<br />

AdBlue-Dosierung, insbeson<strong>der</strong>e die Hydrolyse,<br />

Thermolyse und Ammoniakgleichverteilung, eine<br />

zentraler Einflussgröße. Die Auslegung <strong>der</strong><br />

AdBlue-Aufbereitungsstrecke inklusive Mischer<br />

basiert auf CFD-Simulationen. Die Ammoniakaufbereitung<br />

wird <strong>an</strong>h<strong>an</strong>d von Gleichverteilungsmessungen<br />

<strong>an</strong> einem Motorprüfst<strong>an</strong>d <strong>an</strong>alysiert und<br />

<strong>an</strong>h<strong>an</strong>d des Gleichverteilungsindex „gamma“ charakterisiert.<br />

Im ersten Schritt <strong>der</strong> Anwendbarkeitsstudie <strong>der</strong><br />

SCR-Technologie in Kombination mit mager betriebenen<br />

direkteinspritzenden Otto-Motoren wird<br />

die maximal erreichbare Stickoxidreduktion <strong>an</strong>gestrebt.<br />

Für diese Anwendung eignet sich eine gesteuerte<br />

AdBlue-Dosierung, die mit Hilfe von Laborgas-<br />

und Motorprüfst<strong>an</strong>dsuntersuchungen bedatet<br />

wird.<br />

Neben den aus Diesel<strong>an</strong>wendungen bek<strong>an</strong>nten<br />

Auslegungskriterien kommt die Umschaltung zwischen<br />

homogenem und magerem Motorbetrieb bei<br />

Anwendung <strong>der</strong> SCR-Technologie <strong>an</strong> direkteinspritzenden<br />

Otto-Motoren hinzu. Hinsichtlich Ammoniakschlupf<br />

ist insbeson<strong>der</strong>e <strong>der</strong> Wechsel von<br />

Magerbetrieb zu Homogenbetrieb zu untersuchen.<br />

Die Höhe des Ammoniakschlupfs ist vom Ammoniakspeicherniveau<br />

abhängig. Der Ammoniakschlupf<br />

k<strong>an</strong>n durch eine geeignete Senkung des<br />

Speicherniveaus deutlich verringert werden, vgl.<br />

Abb. 2.<br />

In diesen Untersuchungen ist die Reduzierung des<br />

Ammoniakspeichers durch eine frühzeitige Deaktivierung<br />

<strong>der</strong> AdBlue-Dosierung realisiert. Diese<br />

prädiktive Methode ist im normalen Fahrbetrieb<br />

nicht möglich. Im realen Fahrzeugbetrieb k<strong>an</strong>n die<br />

Verringerung des Ammoniakspeicherniveaus z.B.<br />

durch kurzzeitige Erhöhung <strong>der</strong> NO x -<br />

Rohemissionen erfolgen.<br />

Abb. 2: Vermeidung von Ammoniakschlupf<br />

durch Reduzierung des Ammoniakspeicherniveaus<br />

Auf Basis <strong>der</strong> Erkenntnisse ist ein Demonstratorfahrzeug<br />

mit SCR-Abgasnachbeh<strong>an</strong>dlungssystem<br />

ausgestattet. Das Stickoxidreduktionspotential<br />

verschiedner Konfigurationen (Art des Reduktionsmittels,<br />

Isolation, Dosierstrategie, Testbedingungen,<br />

etc.) wird <strong>an</strong>h<strong>an</strong>d des neuen europäischen<br />

Fahrzyklus (NEFZ) <strong>an</strong>alysiert, vgl. Abb 3.<br />

Abb. 3: Stickoxidemissionen im NEFZ (warme<br />

Testbedingung)<br />

Das Abgasnachbeh<strong>an</strong>dlungssystem weist sowohl<br />

unter warmen als auch unter kalten Testbedingungen<br />

sehr hohe Stickoxidreduktionspotentiale auf,<br />

die zur Einhaltung <strong>der</strong> Euro 5/6 Emissionsgrenzwerte<br />

reichen.<br />

Abb. 4: Ammoniakschlupf im NEFZ (gefüllter<br />

Ammoniakspeicher zu Beginn des Zyklus)<br />

6 Copyright VKA / <strong>RWTH</strong> AACHEN University


VKA Newsletter, Ausgabe 2/2009<br />

Neben einer hohen Konvertierungsrate ist Ammoniakschlupf<br />

ein wichtiges Merkmal von SCR-<br />

Systemen und sollte möglichst vermieden werden.<br />

Abb. 4 stellt den Ammoniakschlupf im NEFZ dar,<br />

bei dem <strong>der</strong> Ammoniakspeicher vor Testbeginn<br />

auf ein hohes Speicherniveau gefüllt ist.<br />

Selbst mit gefülltem Ammoniakspeicher zu Beginn<br />

des Fahrzyklus liegt <strong>der</strong> Ammoniakschlupf unterhalb<br />

von 100 ppm. Der Ammoniakschlupf k<strong>an</strong>n<br />

durch weitere Adaption <strong>der</strong> Regelung und unter<br />

Zuhilfenahme von closed-loop Regelung optimiert<br />

werden.<br />

Die SCR-Technologie in Kombination mit mager<br />

betriebenen direkteinpritzenden Otto-Motoren<br />

weist ein hohes Stickoxidreduktionspotential auf.<br />

Das VKA d<strong>an</strong>kt <strong>der</strong> VDMA-Gesellschaft für Forschung<br />

und Innovation (VFI) mbh und dem Arbeitskreis.<br />

Dipl.-Ing. Christi<strong>an</strong> Keysselitz<br />

Tel.: +49 241 80-98368<br />

Fax: +49 241 80-92630<br />

keysselitz@vka.rwth-aachen.de<br />

Lehre / Vorlesungen<br />

Die Zahl <strong>der</strong> Neueinschreibungen im Wintersemester<br />

2009/2010 <strong>an</strong> <strong>der</strong> <strong>RWTH</strong> Aachen University<br />

beträgt im Bachelorstudieng<strong>an</strong>g Maschinenbau<br />

1012 und im Studieng<strong>an</strong>g Wirtschaftsingenieurwesen<br />

333.<br />

In dem Masterprogramm „Energy Engineering“<br />

sind <strong>der</strong>zeit 44 Studierende aus verschiedenen<br />

Nationen eingeschrieben. Seit dem WS 2006/2007<br />

wird dabei zwischen dem deutschsprachigen öffentlich<br />

rechtlichen M.Sc. Energieingenieurwesen<br />

und dem englischsprachigen privatrechtlichen<br />

M.Sc. Combustion Engines unterschieden.<br />

Informationen zu den Masterstudiengängen finden<br />

Sie unter: www.master-combustion-engines.com<br />

Informationen zu den Lehrver<strong>an</strong>staltungen finden<br />

Sie unter: www.vka.rwth-aachen.de<br />

Seminare<br />

Motortechnisches Seminar<br />

Wintersemester 2009/2010<br />

Der Ablauf des Motortechnischen Seminars glie<strong>der</strong>t<br />

sich immer in einen 45-minütigen Vortrag und<br />

einer sich <strong>an</strong>schließenden ausführlichen Diskussion<br />

mit dem Auditorium.<br />

Das für alle Interessierte offene Seminar findet<br />

auch nach 36 Jahren bei Studenten höherer Semester,<br />

Wissenschaftlern, aber auch bei auswärtigen<br />

Gästen <strong>der</strong> Industrie großen Ankl<strong>an</strong>g.<br />

Montag, 09. November 2009; 18:00 Uhr<br />

Dipl.-Ing. H<strong>an</strong>no Jelden<br />

Leiter Antriebselektronik<br />

Volkswagen AG, Wolfsburg<br />

„Entwicklungstrends im Antriebsstr<strong>an</strong>gm<strong>an</strong>agement“<br />

Montag, 23. November 2009; 18:00 Uhr<br />

Dipl.-Ing. Josef Hone<strong>der</strong><br />

Leitung Funktionsentwicklung Dieselmotoren<br />

BMW Motoren GmbH, Steyr, Österreich<br />

„Entwicklung Dieselmotoren bei BMW“<br />

Montag, 14. Dezember 2009; 18:00 Uhr<br />

Prof. Dr.-Ing. Ralf Moos<br />

Leiter des <strong>Lehrstuhl</strong>s für Funktionsmaterialien<br />

Universität Bayreuth<br />

„Abgasnachbeh<strong>an</strong>dlung im Automobil: Ist <strong>der</strong> Katalysator<br />

selbst <strong>der</strong> beste Sensor?“<br />

Montag, 11. J<strong>an</strong>uar 2010; 18:00 Uhr<br />

Dr.-Ing. Christi<strong>an</strong> Poensgen<br />

Vice President R&D Engineering Medium Speed<br />

MAN Diesel SE, Augsburg<br />

„Gasmotoren in Marine- und Kraftwerks<strong>an</strong>wendungen<br />

– Markt und Konzepte“<br />

Montag, 25. J<strong>an</strong>uar 2010; 18:00 Uhr<br />

Dr.-Ing. H<strong>an</strong>s-Peter Schmalzl<br />

Chief Technology Officer<br />

BorgWarner Inc., Kirchheimbol<strong>an</strong>den<br />

„Neue Aufladeverfahren für DI-Ottomotoren“<br />

Die Vorträge finden im Kármán-Auditorium,<br />

Forum 5, Eilfschornsteinstraße 15 in Aachen statt.<br />

Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Anmeldung ist<br />

nicht erfor<strong>der</strong>lich. Aktuelle Informationen finden<br />

Sie unter: www.vka.rwth-aachen.de<br />

Copyright VKA / <strong>RWTH</strong> AACHEN University 7


VKA Newsletter, Ausgabe 2/2009<br />

Der Exzellenzcluster nutzt einen interdisziplinären<br />

Ansatz zur Erforschung neuer, auf Biomasse basieren<strong>der</strong>,<br />

synthetischer Kraftstoffe, um das Potenzial<br />

hinsichtlich mo<strong>der</strong>ner verbrennungsmotorischer<br />

Technologien zu bestimmen. Das l<strong>an</strong>gfristige<br />

Ziel ist die Bestimmung einer optimalen Kombination<br />

von Kraftstoffkomponenten und <strong>der</strong>en Herstellungsprozessen,<br />

die auf nachwachsenden<br />

Rohstoffen und neuen Verbrennungsprozessen<br />

basiert. Im Rahmen dieses Exzellenzclusters finden<br />

in regelmäßigen Abständen Seminare statt, in<br />

denen hierfür relev<strong>an</strong>te Themen beh<strong>an</strong>delt werden.<br />

Donnerstag, 19. November 2009; 17:30 Uhr<br />

Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Schw<strong>an</strong>eberg<br />

<strong>Lehrstuhl</strong> für Biotechnologie<br />

„Concepts, Success Stories & Challenges in Direct<br />

Protein Evolution“<br />

Hochdruckverbrennungskammer<br />

Erste maßgeschnei<strong>der</strong>te Kraftstoffe werden nun in<br />

<strong>der</strong> neuen Hochdruckverbrennungskammer am<br />

VKA untersucht. Die Kammer k<strong>an</strong>n mit Gasdrücken<br />

von bis zu 150 bar und Temperaturen von bis<br />

zu 1000 K betrieben werden. Durch die kontinuierliche<br />

Durchströmung werden Messungen in kurzer<br />

zeitlicher Abfolge ermöglicht. Mittels optischer Verfahren<br />

wie beispielweise Mie-Streulicht o<strong>der</strong><br />

Schlieren-Messtechnik wird das Einspritzverhalten<br />

<strong>an</strong>alysiert.<br />

Donnerstag, 14. J<strong>an</strong>uar 2010; 17:30 Uhr<br />

Dr.-Ing. Fr<strong>an</strong>çois Maréchal<br />

Industrial Energy systems Laboratory<br />

Ecole Polytechnique Fédérale de Laus<strong>an</strong>ne<br />

„Integrated processes <strong>an</strong>d energy conversion systems<br />

for biorenewables“<br />

Donnerstag, 28. J<strong>an</strong>uar 2010; 17:30 Uhr<br />

Dr. Kristiina Kruus<br />

Chief Scientist Biotechnology<br />

VTT Technical Research Centre of Finl<strong>an</strong>d<br />

„Enzymatic hydrolysis of lognocellulosic biomass<br />

for fuel <strong>an</strong>d chemical production“<br />

Die Vorträge finden im BS I (Bauingenieurwesen),<br />

Mies-v<strong>an</strong>-<strong>der</strong>-Rohe-Str. 1 statt. Die Teilnahme<br />

ist kostenlos.<br />

Aktuelle Informationen unter:<br />

www.fuelcenter.rwth-aachen.de<br />

VKA-Hochdruckverbrennungskammer<br />

Dipl.-Ing. Martin Müther<br />

Tel.: +49 241 80-95352<br />

Fax: +49 241 80-92630<br />

muether@vka.rwth-aachen.de<br />

Impressum:<br />

<strong>Lehrstuhl</strong> für <strong>Verbrennungskraftmaschinen</strong> (VKA)<br />

<strong>RWTH</strong> Aachen University<br />

Tel.: +49 241/80-95350<br />

Schinkelstraße 8, 52062 Aachen<br />

Redaktion:<br />

Michael Wittler: wittler@vka.rwth-aachen.de<br />

Birgit Schaefer-Hamm: hamm@vka.rwth-aachen.de<br />

Design:<br />

Winfried Falkenau<br />

Carsten Küpper<br />

8 Copyright VKA / <strong>RWTH</strong> AACHEN University

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