Evaluation of charging strategies for the use of EGR in the high-load range of a passenger car diesel engine

Ehrgeizige CO2-Ziele und die Absenkung der Schadstoffemissionen in der Stadt stellen hohe Anforderungen an den Pkw-Antrieb der Zukunft. Der Dieselmotor wird dafür immer mehr in Frage gestellt. Darüber hinaus werden die Homologationsrandbedingungen weltweit weiter verschärft, sodass Verbrennungsmotoren in allen Betriebsbereichen immer kleiner werdende Grenzwerte der limitierten Schadstoffemissionen einhalten müssen. Beim Dieselmotor sind dies in erster Linie die NOX-Emissionen, die aufgrund der Charakteristik des Brennverfahrens in den Betrachtungsfokus rücken. Auf der anderen Seite zählt der Dieselmotor weiterhin als sehr CO2-sparsamer Antrieb, sodass er Potenzial hat, bestehende Technologien und Infrastrukturen weiter zu nutzen und als Ergänzung zum Elektroantrieb eine wichtige Antriebsquelle in der Fahrzeugflotte darzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden hochlastige Betriebsbereiche bis zur Volllast eines Hochleistungs-Pkw-Dieselmotors betrachtet, um die Auswirkungen der Abgasrückführung (AGR) auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistung sowie auf das Aufladesystem zu bewerten. Zur Verfügung stehen ein Motorprüfstand mit variabler Ansaug- und Abgasstrecke, ein frei programmierbares Steuergerät sowie ein Rapid-Prototyping-System zur Abbildung echtzeitfähiger Modelle und zur unabhängigen Ansteuerung der Steller und Klappen im Luftpfad. Die Anhebung der AGR-Rate im Hochlastbereich bewirkt in erster Linie in allen Kennfeldbereichen des Verbrennungsmotors eine Absenkung der NOX-Emissionen im Brennraum. Eine negative Auswirkung hoher AGR-Raten in niedrigen Drehzahlbereichen bzw. an der Volllast des Motors ist, dass die Leistung aufgrund einer definierten Rauchbegrenzung und dem maximalen Ladedruck durch das Aufladesystem begrenzt ist. Um dem entgegenzuwirken, wird zunächst unabhängig eines Aufladekonzeptes der Ladedruck mittels der Variabilität des Motorprüfstands erhöht, sodass eine AGR-Raten-Erhöhung bei einem konstanten Luftverhältnis realisiert werden kann. Die Vorteile dieser Ladedruckanhebung in Kombination mit der AGR sind niedrige NOX-Emissionen und eine konstante Leistung im stationären Betriebspunkt. Außerdem bleiben im Vergleich zu der AGR-Variation mit konstantem Ladedruck Rußemissionen und der spezifische Kraftstoffverbrauch auf einem geringen Niveau. Die Versuche zeigen Potenziale zur Betriebsoptimierung bis hin zur Motorvolllast auf. Die Auswirkungen der AGR und daraus folgenden Ladedruckanhebung auf verschiedene Aufladesysteme wird anschließend mittels einer Echtzeit-Simulation am Motorprüfstand bewertet. Als Referenz wird die zweistufige Aufladung herangezogen. Die Ladedruckerhöhung hat im isolierten Betrachtungsfeld der zweistufigen Aufladung positive Auswirkungen hinsichtlich des Betriebsverhaltens und des Wirkungsgrades der Strömungsmaschinen. Demgegenüber steht der erhöhte Kraftstoffverbrauch durch die AGR und das sich verschlechternde Spülgefälle über den Motor. Als zweites Aufladesystem wird eine Registeraufladung, also eine Parallelschaltung von zwei Abgasturboladern, modelliert und am Motorprüfstand abgebildet. Mittels der gewählten Abgasturbolader-Konfiguration zeigt sich, dass die Ladedruckanhebung eingeschränkt möglich ist. Auch im Bereich niedriger Motordrehzahlen und hoher Lasten ist mit Wirkungsgradverschlechterung der Strömungsmaschinen bei Ladedruckanhebungen zu rechnen. Als finale Variante wird die Parallelschaltung der Abgasturbolader mit einem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter, der wiederum in Reihe geschaltet ist, modelliert. So gelingt es, im unteren Drehzahlbereich eine zweistufige Aufladung zu realisieren und im hohen Drehzahlbereich die Vorteile des Parallelbetriebs zu nutzen. Im stationären Betriebsverhalten hat der elektrische Zusatzverdichter wesentliche Vorteile hinsichtlich der Ladedruckerhöhung. Diese erfolgt unabhängig vom Abgasmassenstrom, sodass hier hinsichtlich des Spülgefälles über den Motor ein Vorteil entsteht. Hinsichtlich der Dynamik kann nachgewiesen werden, dass der Drehmomentaufbau im Lastsprung durch den Einsatz der elektrischen Unterstützung deutlich verbessert werden kann.
Ambitious CO2 targets and the reduction of pollutant emissions in the city place high demands on the car drive of the future. The diesel engine is increasingly being questioned. In addition, the homologation boundary conditions are being further tightened worldwide, so that combustion engines in all areas of operation have to comply with ever smaller limit values of limited pollutant emissions. In the case of diesel engines, these are primarily the NOX emissions due to the characteristics of the combustion process, which are the focus of attention. On the other hand, the diesel engine continues to count as a very CO2-economical drive, so that it has the potential to continue to use existing technologies and infrastructures and to represent an important source of drive in the vehicle fleet as a supplement to the electric drive. In the present work, high-load operating ranges up to the full load of a high-performance passenger car diesel engine are considered in order to evaluate the effects of exhaust gas recirculation (EGR) on emissions, fuel consumption and performance as well as on the charging system. An engine test bench with variable intake and exhaust section, a freely programmable control unit and a rapid prototyping system for imaging real-time capable models and for independent control of the controllers and flaps in the air path are available. The increase in the EGR rate in the high-load range primarily causes a reduction in NOX emissions in the combustion chamber in all characteristic field areas of the combustion engine. A negative effect of high EGR rates in low speed ranges or at the full load of the engine is that the power is limited due to a defined smoke limitation and the maximum boost pressure by the charging system. In order to counteract this, the boost pressure is increased independently of a charging concept by means of the variability of the engine test bench, so that an EGR rate increase can be realized at a constant air ratio. The advantages of this boost pressure increase in combination with the EGR are low NOX emissions and a constant performance in the stationary operating point. In addition, compared to the EGR variation with constant boost pressure, soot emissions and specific fuel consumption remain at a low level. The tests show potential for operational optimization up to engine full load. The effects of the EGR and the resulting boost pressure increase on various charging systems are then evaluated by means of a real-time simulation on the engine test bench. As a reference, the two-stage turbocharging is used. The boost pressure increase has positive effects in the isolated field of view of the two-stage turbocharging with regard to the operating behavior and the efficiency of the flow machines. In contrast, there is the increased fuel consumption due to the EGR and the deteriorating flushing gradient over the engine. As a second charging system, a sequential turbocharger, i.e. a parallel connection of two turbochargers, is modeled and mapped on the engine test bench. By means of the selected turbocharger configuration, it is shown that the boost pressure increase is possible to a limited extent. Even in the area of low engine speeds and high loads, efficiency deterioration of the flow machines with boost pressure increases is to be expected. As a final variant, the parallel connection of the turbochargers is modeled with an electrically driven additional compressor, which in turn is connected in series. This makes it possible to realize a two-stage charge in the lower speed range and to use the advantages of sequential turbocharging in the high speed range. In stationary operating behavior, the additional electrical compressor has significant advantages in terms of increasing the boost pressure. This takes place independently of the exhaust gas mass flow, so that here an advantage arises with regard to the flushing gradient over the engine. With regard to dynamics, it can be proven that the torque build-up in the load jump can be significantly improved by the use of electrical support.
Berichte aus dem ivb, vol. 35