Innere Lastpunktverschiebung bei Dieselmotoren

Open Access

Abstract

Die vorliegende Ausarbeitung greift die gegenwärte öffentliche Diskussion in Deutschland zu den NOx-Emissionen von Dieselmotoren im realen Fahrbetrieb auf. Anhand von Motoren für leichte Nutzfahrzeuge und "Non Road" Anwendungen werden konventielle, d.h. bereits verfügbare und in Serie eingeführte Maßnahmen zur Steigerung des Verbrennungsluftverhältnises und damit der Temperaturen des Abgasmassenstroms, mit der inneren Lastpunktverschiebung verglichen. Die Absenkung des Verbrennungsluftverhältnises (λ) wird zur Sicherstellung der Funktion der Abgasnachbehandlung, inbesonders der NOx-Rohemissionen, und zur Darstellung eines ausreichenden Wirkungsgrades der Abgasnachbehandlung bei niedrigen Lasten benötigt. Der urbane Lieferverkehr ist in typischerweise durch den Stop&Go-Betrieb im innenstädtischen Betrieb, mit einem Betrieb bei kleinen Motordrehmomenten und Drehzahlen, sowie mit hohen zeitlichen Leerlaufanteilen verbunden. In diesem Lastbereich sind bei den derzeitigen Motorkonzepten zusätzliche motorische Maßnahmen und neue Konzepte notwendig, um die Einhaltung heutiger und zukünftiger Emissionsvorschriften sowie der Emissiongrenzwerte im realen Fahrbetrieb sicherzustellen. Dazu muss das hohe Verbrennungsluft-verhältnis, das heute der Grund für den niedrigen Kraftstoffverbrauch des Dieselmotors im Vergleich zum Ottomotor ist, abgesenkt werden. Die bisher eingesetzten konv. motorischen Maßnahmen (z.B. die Drosselung) führen zur einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs und damit auch der CO2-Emissionen. Eine bisher nicht verwendete Möglichkeit bzw. Maßnahme zur Reduktion des Verbrennungsluftverhältnisses beim Dieselmotor ist die dynamische Lastpunktverschiebung mittels Zylinderabschaltung. Der größte Teil der Nutzfahrzeuge für den urbanen Personen- und Güterverkehr sowie die Mehrzahl der Arbeitmaschinen sind mit einem Vierzylinder-Dieselmotor ausgestattet. Für diese kleinen Nutzfahrzeugmotoren wird ein neuartiges Motorenkonzept vorgestellt. Das 3up-Motorenkonzept ermöglicht die Steigerung des Verbrennungsluftverhältnisses durch dyn. Lastpunktverschiebung (Zylinderabschaltung) bei signifikant niedrigeren indidzierten Kraftstoffverbrauch (z.B. bis zu – 20%), im Vergleich zu den konv. Maßnahmen zur Steigerung der Abgastemperatur bei Dieselmotoren. Dadurch ist es möglich, im realen Fahrbetrieb, d.h. bei Leerlauf und niedrigen Drehzahlen, bei vergleichbaren Schadstoffrohemissionen nachhaltig den realen Kraftstoffverbrauch zu senken. Die Untersuchungen an den realiserten Konzeptmotoren zeigen die möglichen Verbesserungen bzgl. der Anhebung der Temperatur des Abgasmassenstroms, des Kraftstoffverbrauchs und die notwendigen Anpassungen bei der Realisierung dieses Motorkonzeptes für einen Dieselmotor auf. ; This elaboration issues the current public discussion about the NOx-Emissions of Dieselengines in the real world driving mode within Germany. Base on the example of Dieselengines for light commercial vehicles (LDC) and non road applications, available measures to increase the combustion rel. Air fuel ratio and within this the exhaust temperature for engine in mass production are ranked with the displacement on demand feature for Diesel engines. The Reduction of combustion of air fuel ratio is necessary to ensure the operation of NOx-exhaust aftertreatment and for improvement of aftertreatment efficiency at low load operation of Dieselengines. Especially in the urban and rural traffic with a share of stop&go traffic situation and low load operation and timewise long idle operation is usual. At this load profile the current engines in volume production additional measurements and concepts needed, to fullfill the todays and future emission and the legislation limits at real driving cycles. Especially for this the air fuel ratio needs to be decreased, which obversally is the root cause for lower consumption of Diesel engines compared with Otto-engines today. The currently taken so called conventional measures (like throttling) leads finally to a increased fuel consumption and within this to higher CO2-emissions. Today the option of a dynamic reduction of the engine displacement (displacement on demand) to reduced the air fuel ratio at Diesel engine is not applied within currently available volume production engines. The largest volume of commercial vehicles for the urban and rural transporation of passengers and freigth is equipped with a four cylinder Diesel engine. For the engine segment a innovative engine concept is proposed. The 3up-engine concept reduces the air fuel ratio by load point shifting and lower the indicated fuel consumption by i.e. about – 20 %, compared with the measures to increase exhaust temperature at conventional engine configuration. Within this it is possible to reduced fuel consumption and emissions at the same time at real driving cycles. The test bench investigation of realized concept engines show the possible improvements regard specific fuel consumption at increased exhaust temperature. The required modifications and improvements for future engine realization and related to that improvements for exhaust aftertreatment efficiency are discussed.