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NUTZFAHRZEUGTECHNIK
zuwiderlaufen. Der Zylinder ist also vorzugsweise
mit den Verbrennungsprodukten
CO 2 und H 2 O aufzuladen, zumal der
gegenüber Luft kleinere Isentropenexponent
der Abgasmoleküle die Temperatur
zusätzlich absenkt. Diese Schlussfolgerungen
werden belegt durch den gedrosselten,
homogenen Ottomotor. Bei gleicher,
quantitativer Ladungsverdünnung
ist hier eine AGR (� = 1) wesentlich
NO X -wirksamer als eine Abmagerung
(� ≥ 1) [2].
Praktisch müssen die Ziele (a), (d1)
und (d2) durch Aufladung mit gekühltem
Abgas bei geringem O 2 -Anteil erfüllt werden
[3]. Da die Mengenanteile von N 2 in
Luft und Abgas nahezu identisch sind, bedeutet
jede Aufladung (auch durch AGR)
eine Erhöhung der Stoffmenge n N2 im Zylinder.
Dieser nach (b) eigentlich kontraproduktive
Effekt wird aber durch (d2)
mehr als überkompensiert.
Während die Forderungen (d1) und
(d2) durch das Gaswechselsystem zu erfüllen
sind, muss (a) durch das Brennverfahren
adressiert werden. Beide Ziele unterstützen
sich durchaus gegenseitig. Der
geringe Sauerstoffanteil der AGR entlastet
die Rückführstrecke sowohl hinsichtlich
Durchfluss, als auch in den Kühlungsaufgaben.
Andererseits kann die Absenkung
der Prozesstemperaturen helfen, das für
die Rußbildung kritische Fenster im Luftverhältnis-Temperatur-Diagramm
[4] zu
umgehen.
Eine abschließende Bemerkung: Sobald
im Abgas noch ungenutzter Sauerstoff
vorliegt, sollte zur Beschreibung der tatsächlichen
Stöchiometrie im Brennraum
das in � definierte Zylinder-Luftverhältnis
Gl. 2 � = � + x _____ � – 1
z R ( 1 – xR ) ( �L ______ st
�L + 1 ) st
dem üblichen, äußeren Wert � vorgezogen
werden (x R : AGR-Rate, L st : stöchiometrischer
Luftbedarf). Die Formel ergibt
sich aus den Basisstoffbilanzen und berücksichtigt,
dass auch der O 2 -Anteil der
AGR zur Oxidation genutzt werden kann.
PROZESSAUSWIRKUNGEN
Eine bewusst einfache Kreisprozessrechnung
soll demonstrieren, was die skizzierte
NO X -Strategie motorisch auslöst.
Ausgehend von einem Volllast-Punkt ohne
� Definition Zylinder-Luftverhältnis
Definition of the in-cylinder air fuel ratio
AGR (Index o) wird die Rate der Hochdruck-AGR
schrittweise angehoben. Mitteldruck,
Luftverhältnis � Z , Spitzendruck
und ATL-Gesamtwirkungsgrad werden
durch Anpassung von Ladedruck, Einspritzmenge,
Verbrennungslage und Druck
vor Turbine festgehalten. Für Ladeluft-
und AGR-Temperatur stromab ihrer Kühler
werden in allen Punkten 65 °C beziehungsweise
150 °C angenommen. � stellt
die Ergebnisse über der Abnahme (Tmax,
o-Tmax) der Spitzentemperatur dar.
Die zunehmende Füllung lässt die maximale
Prozesstemperatur Tmax erwartungsgemäß
stark abfallen. Voraussetzung
ist, dass der Ladedruck MAP deutlich gesteigert
werden kann (a). Der größere,
verdichterseitige Leistungsbedarf erfordert
einen höheren Druck vor Turbine. Er wird
durch einen reduzierten Turbinenquerschnitt
AT erzwungen (b). Die Ladungswechselschleife
verschiebt sich bei nur
leicht vergrößerter Fläche PMEP zu höheren
Drücken (c).
Da sich das Druckgefälle zwischen Abgas-
und Saugseite kaum vergrößert, muss
der effektive Strömungsquerschnitt As der
� Wirkung der Aufladung durch AGR
Effect of supercharging by EGR
AGR-Anlage für höhere Raten deutlich zunehmen
(d). Die ansteigende Abgasdichte
kann diese Forderung nur leicht abschwächen.
Leider reduziert die AGR jedoch den
inneren Wirkungsgrad eta i (e). Dies ist zurückzuführen
auf die etwas größere Ladungswechselarbeit,
auf den vom Spitzendruck
diktierten, späteren Umsatzschwerpunkt,
insbesondere aber auf die reduzierte
Isentropenkonstante, ausgelöst
durch den höheren Abgasanteil vor und
während der Verbrennung. Zusammenfassend
bleibt die Forderung nach einer möglichst
hohen und kalten Füllung des Brennraums.
Der aus NO X -Sicht eigentlich anzustrebende,
minimale Luftüberschuss ist
aber aus (Ruß- und) Verbrauchsgründen
begrenzt [5].
EINIGE SYSTEMANFORDERUNGEN
Ladeluft- und AGR-Kühlung wirken sich
aufgrund der thermischen Entdrosselung
und der geringeren Starttemperatur der
Hochdruckphase zweifach auf die NO X -
Emissionen aus. Der AGR-Kühler muss in
einem gegebenen Bauraum geringe Druck-
78 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg