Ein Injektorkonzept zur Darstellung eines ottomotorischen Brennverfahrens mit Erdgas-Direkteinblasung

Abstract

Mitte der 70er Jahre wurde von Forschern eine steigende Erwärmung der Erdtemperatur seit Beginn des 19. Jahrhunderts festgestellt und die Suche nach den Ursachen begann. Dabei stellte sich heraus, dass im Vergleich zu früheren Wärmeperioden auf der Erde die Geschwindigkeit des aktuellen Temperaturanstiegs deutlich höher ist als in früheren Zeiten. Eine menschliche Einwirkung auf diesen Prozess ist durch den Umstand der zu diesem Zeitpunkt einsetzenden Industrialisierung sehr wahrscheinlich, denn ein nennenswerter Faktor dieses so genannten Treibhauseffektes ist der Anstieg der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. Als Konsequenz dieser Diskussionen sowie die Frage nach der Reichweite heutiger Rohöl-ressourcen müssen Alternativen zu den heute vorherrschend eingesetzten Kraftstoffen auf Rohölbasis entwickelt werden. Neben Wasserstoff als potenziell CO2-neutraler Energieträger, elektrischen Antriebskonzepten und Kraftstoffen aus Biomasse ist auch Erdgas eine interessante Alternative. Aufgrund seines günstigen Kohlenstoff- / Wasserstoff-Verhältnisses von 1:4 können schon allein durch die Verwendung von Erdgas als Kraftstoff die CO2- Emissionen eines Fahrzeuges um rund 25 % gesenkt werden. Zudem enthält neben Erdgas auch Biogas Methan als Hauptbestandteil. Eine weitere Reduktion des CO2-Niveaus erfordert erdgasspezifische Brennverfahren. Dabei sind Diesel- und HCCI-Brennverfahren nur in Verbindung mit Hilfszündquellen wie etwa permanent betriebenen Glühstiften oder in Kombination mit anderen, leichter entflammbaren Kraftstoffen, z. B. Wasserstoff oder einer Pilotmenge Dieselkraftstoff möglich. Die aktuell verfügbaren Pkw mit Erdgasantrieben arbeiten deshalb mit ottomotorischen Brennverfahren. Die Motoren entsprechen weitgehend dem Benzin-Serienstand. Zunehmend spielt die Aufladung der Motoren zur Leistungssteigerung eine Rolle. Um die Effizienz der Motoren weiter zu steigern, ist eine Optimierung auf den Kraftstoff Erdgas notwendig. Eine Möglichkeit hierzu ist die hier untersuchte Direkteinblasung. Damit lässt sich analog zur Benzin-Direkteinspritzung ein geschichteter Motorbetrieb darstellen und die konzept-bedingten Verluste durch den Ladungswechsel deutlich verringern. Hierzu wurde ein Injektorkonzept erarbeitet, das den Anforderungen eines solchen Brenn-verfahrens gerecht wird. Vor allem die notwendige kompakte Bauform und die hohen benötigten Durchflüsse aufgrund des niedrigen volumenbezogenen Heizwertes von Erdgas wurden dabei berücksichtigt. Zur Realisierung des benötigten Durchsatzes wurde eine nach außen öffnende Düsengeometrie gewählt. Entsprechend dem heutigen Stand der Technik wird der Injektor direkt magnetisch betätigt. Der Injektor ist so konzipiert, dass ein uneingeschränkter Motorbetrieb bis an die Spitzen-druckgrenze des Versuchsaggregates (ein Einzylinder-Forschungsaggregat auf Basis des Mercedes M271 mit zentraler Injektorlage) möglich ist. Das Konzept wurde dabei so ausgelegt, dass ein Einblasedruck von 20 bar ausreicht, um sowohl einen geschichteten als auch einen homogenen Motorbetrieb darzustellen. Der maximale Einblasedruck beträgt 50 bar, danach führt die integrierte Fail-Safe Funktion dazu, dass der Injektor nicht mehr öffnet. Der Berstdruck wurde auf 200 bar ausgelegt, was dem heutigen Stand der Speicherung von Erdgas in Fahrzeuganwendungen entspricht. Zur Überwachung der Funktionalität verfügt der Injektor über einen Nadelhubsensor. Des weiteren ist der Nadelhub über Distanzscheiben auf einen Hub bis zu 0,5 mm einstellbar. Bei 20 bar Einblasedruck ist ein Nadelhub von 0,25 mm ausreichend, um die volle Motorleistung zu gewährleisten. Ein Unterdrücken des Prellens der Injektornadel ist durch eine entsprechende Ansteuerung durch die Endstufe möglich. Weiter zeigte sich, dass vor allem im Homogenbetrieb ein sehr stabiler ballistischer Betrieb mit reduziertem Nadelhub möglich ist. Im Vergleich zu berechneten Homogenkennfeldern zeigt sich im am Prüfstand untersuchten Schichtbetrieb ein Verbrauchsvorteil von 25 % im Bestpunkt mit einem spezifischen indizierten Verbrauch von 198 g/kWh bei 2000 1/min und 3 bar indiziertem Mitteldruck. Die durchgeführten Fahrdynamikberechnungen auf Basis des Neuen Europäischen Fahrzyklus ergaben ein Verbrauchssenkungspotenzial von 23 % bei der Kombination von Schichtbetrieb und Abgasturboaufladung im Vergleich zum Serienstand mit Homogenbetrieb und Kompressoraufladung. Die Kombination Kompressoraufladung mit Schichtbetrieb ermöglicht eine Verbrauchsreduktion von ca. 8 %. Für das Referenzfahrzeug Mercedes E200 können damit die CO2-Emissionen auf 133 g/km gesenkt werden, was im Vergleich zur Benzin- variante (215 g/km) einer Minderung von 38 % entspricht.

As researchers in the 1970´s began to study the world climate, they found out that the mean earth temperature was extremely increasing from that time as industrialization of our civilization began, in the beginning of the 19th century. This effect of climate warming is now commonly known as the Green House Effect. One of this gases is CO2, which is mainly produced in burning processes, used to supply us with heat, electricity and mobility.One of the most energy consuming sectors is road traffic, standing for about 12 % of the CO2 emissions in the EU. The primary energy source for fuels is – with nearly 100 % – crude oil. A promising alternative fuel is methane - a gas which is the main component of (fossil) natural gas but also in gases derived by using organic waste (biogas). By using methane as a fuel, CO2-emissions are about 25 % lower compared to conventional gasoline fuel. But to use the full potential of methane, specific combustion and engine development has to be done. As the combustion of methane needs high activation temperatures the SI-combustion is the common system. The main development of alternative fuel concepts is based on series production concepts. While new technology, such as Turbo Charging and Direct Injection is becoming state of the art in SI engines, these technology is also becoming available for methane. In this work, the possibility and benefits of a Direct Injection Natural Gas Engine with SI-combustion has been investigated. Starting with an overview on the current situation for fossil fuels and a short look on alternatives and potentials, the future role for methane as an alternative fuel is shown. Further the main combustion characteristics are shown and a matrix with possible combustion concepts is built and analyzed. Based on this, the development process for a suitable injector is presented. Focus of the development is the need for high flow potential by low pressure levels and an electormagnetic acutator. A needle lift sensor was applied directly acting on the needle to study the needle lift behavior. Studies on the achieved flow characteristics in steady state measurements have been done and the results are shown for methane and also nitrogen due to safety issues and a easier handling. To optimize the dynamic behavior of the injector, parameter studies for the driving unit have been done in an offline test rigg. Studies on a single cylinder SI research engine (bore: 82 mm; stroke 85 mm; displacement 448 cm3; CR 13.4; centrally mounted injector) are shown demonstrating the possibility for a stratified combustion concept in the same range as with common gasoline fuel and even the same benefits. Fuel consumption was measured to around 198 g/kWh in best point at about 2000 rpm and a load of 3 bar imep. To compare the concept with conventional homogenous concepts, 1D flow simulations on a full engine model with a mechanical compressor and alternatively a turbocharger has been done in GT-Power, using a quasidimensional combustion model which was developed at FKFS for gasoline combustion. Finally, driving cycle simulations on the NEDC-cycle have been done to demonstrate the theoretical potential of a stratified combustion. The reference car was a Mercedes E200 NGT which was available on the market until 2009 with a mechanical compressor. As an alternative also a turbocharged engine (TC) was simulated. In combination with stratified combustion, fuel consumption of the TC-concept was reduced with 23% compared to the market concept. Applying stratified combustion only, fuel consumption was reduced with 8%. CO2 emissions are directly coupled to fuel consumption. In combination with a TC engine, 133 g/km could be achieved. Although the injector is able to run in quite stable ballistic operation (open loop), further development is needed to improve low fuel supply. For example, this could be achieved by a controlled lift or a reduction of the needle lift while providing the same flow capability. Further, the combustion in stratified charge has to be optimized and more investigations have to be done, i. e. in combination with high EGR rates. Even the mixture formation process has to be analyzed more detailed, with help of optical diagnostics. Looking on the long term risks of climate change and the delay of actual improvements, there is a need to find alternatives. This will surely not end in a single alternative replacing crude oil totally. Much more, the number of fuel types and powertrain concepts will increase and be more coupled to local conditions and requirements. Methane based fuels seem to be a promising solution with short and long term perspectives and they will be a part of this puzzle. The understanding for combustion processes and the optimization of the concepts will help to further reduce green house gas emissions and lower the negative impact on our livelihood.