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 />
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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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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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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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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 />
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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