Die gesetzlichen Anforderungen an das Pkw-Emissionsverhalten sind von einer ständigen Verschärfung geprägt und stellen eine immer größere Herausforderung in der technischen Umsetzung dar. Für Pkw mit Dieselmotoren ist zu deren Erreichung neben der zunehmenden Anwendung von DeNOx-Systemen weiterhin auch die Nutzung von Dieselpartikel- filtern (DPF) notwendig. Durch Mehrparametervariationen relevante Zielgrößen lässt sich das Verhalten der DPF in ihrer Wirkung exakt bestimmen und in direkter Folge eine zieloptimierte Bedatung ableiten.
Die DPF-Technologie ist seit mehreren Jahren in Serie, die Bedatung einer effizienten und sicheren DPF-Regeneration stellt sich aber immer noch als ein komplexes Aufgabenfeld dar. Diese Aufgabenstellung ist unter dem zusätzlichen Einfluss sich ständig verkürzender Entwicklungszeiten nur durch die Nutzung von unterstützenden Tools und automatisierten Prozessen erfolgreich und effizient zu bearbeiten.
Der DPF-Applikationsprozess
Im Applikationsprozess der IAV wird der Motorversuch durch eine Vielzahl von Tools unterstützt. Dabei werden auch die vielfältigen Möglichkeiten der Simulation vom Konzept bis zur Absicherung immer stärker genutzt. Die feste Einbindung der Simulation in den Applika- tionsprozess verkürzt nicht nur die Entwicklungszeit, sie kann bei der Bearbeitung vieler Aufgaben im Entwicklungsprozess kostengünstig und schnell Antworten geben. Auch die Tauglichkeit der Applikation in extremen Betriebszuständen lässt sich durch Simulation einfach überprüfen.
Im vorliegenden Artikel wird beschrieben, wie durch Mehrparametervariationen relevante Zielgrößen (Stoffgrößen, Umweltbedingungen und Motorparameter) für das Verhalten des DPF in ihrer Wirkung exakt bestimmt werden können, um in direkter Folge eine zieloptimierte Bedatung abzuleiten. Am Beispiel des unkontrollierten Rußabbrands für den „Drop to idle“ Fall (Umschalten in den Leerlauf nach Regenerationsauslösung) werden im Folgenden die Möglichkeiten der Simulation als Ergänzung des experimentellen Versuchs und zur Verkürzung der Entwicklungszeit verdeutlicht.
Einfluss der Rußbeladung auf die Exothermie
Bei der Verbrennung des im Filter gesammelten Rußes durch das sauerstoffhaltige Abgas kommt es zur Exothermie innerhalb des Filters. Je höher die Rußmasse zum Zeitpunkt der Entzündung ist, desto höher sind die Spitzentemperaturen verbunden mit hohen Temperaturgradienten. Um eine Bauteilschädigung zu vermeiden, darf die Nennbeladung daher nicht überschritten werden. Bei der Ermittlung der Beladungsgrenze gilt es, den bestmöglichen Kompromiss aus maximaler Beladung und ertragbarer Temperaturbelastung zu finden, um das Regenerationsintervall für höchstmögliche Kraftstoffeffizienz zu optimieren.
Der Drop to idle stellt für die DPF-Regeneration einen Sonderfall dar, da im überstöchiometrischen Leerlaufbetrieb sehr viel Restsauerstoff im Abgas enthalten ist. Dieser begünstigt den Rußabbrand und somit die Entstehung von hohen Temperaturgradienten.
Während die Abgastemperatur am Filtereintritt sinkt, steigt sie am Filteraustritt noch moderat an und erreicht innerhalb des Filters den kritischen Bereich. Es besteht eine inhomogene Temperaturverteilung: In der Filtermitte wird die Rußentzündungstemperatur zuerst erreicht, während es in der Nähe der Wand und am Filter- ende auf Grund der hohen Wärmekapazität und der Konvektion zur Umgebung relativ kühl bleibt.
Bedatung des Simulationsmodells
Auf Basis von Prüfstandmessungen wird das numerische 3D-DPF-Modell bedatet. An dieser Stelle wird gezielt mit einem 3D-Modell gearbeitet, um genaue Aussagen über lokale Temperaturantworten zu erhalten und das Regenerationsverhalten von segmentierten Filtern möglichst genau abbilden zu können.
Abgastemperatur, -zusammensetzung und -massenstrom bilden die versuchsspezifischen Modelleingänge, während die Stoffwerte wie die Substratdichte feste globale Größen sind. Die Reaktionskinetik für den Rußabbrand wird so abgestimmt, dass die Temperaturantwort möglichst exakt wiedergegeben wird. Vergleicht man Messung und Simulation, so wird deutlich, dass die Temperaturmaxima sehr gut abgebildet werden. Die Differenzen in der Mischtemperatur am Austritt sind darauf zurückzuführen, dass der Temperatursensor stromabwärts in der Abgasanlage positioniert ist und nicht unmittelbar hinter dem DPF wie in der Simulation. Auf Grund der genauen Abbildung der Temperaturmaxima wird die Modellgüte als ausreichend genau bewertet, um als Basis für weitere Parametervariationen zur Senkung der Spitzentemperatur zu dienen. Im Folgenden werden unterschiedliche Applika- tionsstrategien für Luft- und Kraftstoffmanagement im Leerlaufbereich mit Hilfe der Simula- tion überprüft und bewertet.
Ausgehend vom Basispunkt werden durch Androsselung der Luft der Abgasmassenstrom und durch Erhöhung der Nacheinspritzmenge das Lambda reduziert. Bei drei Massenströmen und sieben Lambdawerten sind bei vollständiger Rasterung somit 21 Messungen notwendig. Zusätzlich soll noch die Rußbeladung variiert werden. Am Prüfstand ist dies nur mit sehr hohem zeitlichen und finanziellen Aufwand darstellbar. Die Simulation ermöglicht zudem, Parametersätze zu überprüfen, die mit dem vorhandenen Motorkonzept (noch) nicht darstellbar sind.
Einfluss von Lambda dominiert
Die maximale Gastemperatur im DPF kann durch die Absenkung von Lambda deutlich reduziert werden. Dabei dominiert dieser Effekt über dem des Abgasmassenstroms. Die Zunahme der Temperatur bei Erhöhung des Massenstroms beruht auf der Tatsache, dass der Sauerstoffmassenstrom bei konstanter Sauerstoffkonzentration (Lambda) proportional zum Abgasmassenstrom ansteigt. Daher stellt sich der gleiche Effekt wie bei einer Lambdaerhöhung ein. Im Bereich zwischen Lambda 1.0 und 1.5 bleibt die Spitzentemperatur konstant, da hier die Gaseintrittstemperatur gegenüber der Temperaturerhöhung durch die Rußverbrennung dominiert. Für den untersuchten Betriebspunkt ist bei einer Rußbeladung von 6 g/l ein Lambda von 1,5 bei einem Massenstrom von maximal 22 kg/h anzustreben. Wird die Rußbeladung erhöht, ist eine weitere Lambdaabsenkung unumgänglich. Ein beliebig kleines Lambda ist zwar motorisch nicht darstellbar, jedoch kann an dieser Stelle bei bekanntem Lambdaminimum eine Optimierung auf maximal zulässige Rußbeladung erfolgen.
Es wird gezeigt, dass durch die Optimierung von Lambda und Abgasmassenstrom die Rußabbrandrate und damit die Spitzentemperatur in einem DPF gezielt gesteuert und kontrolliert werden kann. Durch den Einsatz der Simula- tion ist es zudem möglich, einen großen Parameterraum detailliert zu untersuchen und daraus Empfehlungen für die motorische Applikation abzuleiten. Dabei dominiert der Einfluss von Lambda deutlich über dem des Abgasmassenstroms. Für den untersuchten Leerlaufbetrieb ist ein Lambda von 1.5 oder kleiner in Verbund mit einem möglichst geringen Abgasmassenstrom anzustreben. Bei Filterbeladungen über 6 g/l wird eine weitere Lambdaabsenkung empfohlen.
Die Simulationsergebnisse zeigen zudem Parameterkombinationen auf, die aus Bauteilschutzgründen vermieden werden sollten oder aus motorischer Sicht nicht ohne Hardwaremodifikationen darstellbar sind. Die Möglichkeit der beliebigen Trennung der Parameter Lambda und Abgasmassenstrom und die deutliche Reduzierung des Versuchsaufwands unterstreichen den Vorteil und Nutzen der Simulation bei der Unterstützung der Brennverfahrensentwicklung in der IAV.
IAV; Telefon: +49 05371 8050;
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