| Diesel Engine Soot- and NOx-Emission Modeling |
Schlüsselwörter:
Dieselmotor, Ruß- und NOx-Emissionen, Potenzproduktansatz, nulldimensionale Modelle, optische und thermodynamische Methoden, halbempirisch, Brennverfahren, Einspritzverlauf
Diesel Engine, Soot- and NOx-Emissions, Potency Product Approaches, zero-dimensional Models, optical and thermodynamical Methods, semi-empirical, Combustion Strategy, Injection Rate Shape
Sachgruppe der DNBAbstract
Further diesel engine development concerning power and fuel consumption will take place due to future legislative emission standards. The soot- and NOx-emissions are hereby of particular importance. In order to investigate the combustion process and the pollutant formation zero-dimensional models based on measurement data were developed in this thesis to predict soot- and NOx-emissions. The models are based on potency product approaches. The model input parameters were chosen with the aid of optical and thermodynamical methods. They are six "global" parameters describing the rate of heat release and the intake air mixture and having a physical relation to the emissions. The models were therefore defined as "semi-empirical". All model input parameters can be obtained with standard measurement techniques. For that reason it is possible to include the models in future engine control devices. After adapting the model coefficients the models are transferable to different passenger cars diesel engines with different injection systems, different cylinder displacements and valve arrangements. The area of validity was confirmed for a wide engine operating map as well as for different combustion strategies (heterogeneous, partial homogeneous and homogeneous combustion). Due to measurement restrictions and other phenomena the coefficient of determination R2 for the soot model is about 8 % less than for the NOx-model. Operating points which were not included in the models were nearly correctly predicted by the models (no extrapolation possible). Larger differences are possible for small filter smoke numbers. The model parameters are physically explainable and show with few exceptions the same trends for the same engines. General constant parameters were not found. Based on a variation study of the model parameters a hypothetical "ideal" heat release rate was defined which is supposed to reduce soot and NOx-emissions. The heat release rate has to evolve moderately until its maximum and then decrease rapidly. To realize such a heat release shape different injection rate shapes and injection systems were proposed. Furthermore a change of the intake air mixture was recommended for achieving a clean combustion. By increasing the inert gas portion (higher EGR-rate) with maintaining the same oxygen concentration a decrease of the NOx-emissions can be achieved without an increase in soot-emissions. It has been shown that increased boost pressure is one useful method to achieve a partial homogeneous combustion.
Die Weiterentwicklung des Dieselmotors hinsichtlich Leistung und Verbrauch geschieht vor dem Hintergrund kontinuierlich anspruchsvoller werdender Emissionsstandards. Besonders bedeutsam sind hierbei die Ruß- und NOx-Emissionen. In dieser Arbeit wurden zur Untersuchung der Verbrennung und Schadstoffentstehung auf Messdaten basierende nulldimensionale Modelle zur Berechnung der Ruß- und NOx-Emissionen entwickelt. Die Modelle bauen auf Potenzproduktansätzen auf. Als Eingangsgrößen wurden mit Hilfe optischer und thermodynamischer Methoden sechs "globale" Parameter gewählt, welche die Heizrate und die Gaszusammensetzung beschreiben und einen physikalisch nachvollziehbaren Zusammenhang mit den Emissionen haben. Die Modelle werden daher als "halbempirisch" definiert. Alle Eingangsgrößen lassen sich mit Standardmesstechnik ermitteln, so dass es theoretisch möglich ist, die Modelle in zukünftige Motorregelungskonzepte mit einzubinden. Die Modelle sind – nach Anpassung der Modellkoeffizienten – auf verschiedene PKW-Dieselmotoren mit unterschiedlichen Einspritzsystemen, verschiedenen Hubräumen und Ventilanordnungen übertragbar. Die Gültigkeit für einen weiten Kennfeldbereich und unterschiedliche Brennverfahrensstrategien (heterogene, teilhomogene und homogene Verbrennung) wurde bestätigt. Das Bestimmtheitsmaß R2 bei der Rußmodellierung ist unter anderem aus messtechnischen Restriktionen ca. 8 % geringer als bei der NOx-Modellierung. Die Emissionen von nicht in die Modelle eingehenden Betriebspunkten werden durch die Rechnung tendenziell richtig wiedergegeben (keine Extrapolation). Bei kleinen FSN-Zahlen können dabei hohe Abweichungen auftreten. Der Einfluss der Modellparameter auf die Emissionen ist physikalisch nachvollziehbar und zeigt bei den verschiedenen Motoren mit wenigen Ausnahmen die gleiche Tendenz auf. Allgemein konstante Größen wurden nicht gefunden. Anhand einer Studie der Modellparameter wurde ein hypothetischer, "idealer" Verlauf der Wärmefreisetzung entwickelt, bei dem die Annahme getroffen wird, dass nur geringe Ruß- und NOx-Emissionen entstehen. Die Wärmefreisetzung muss sich bis zu ihrem Maximum moderat entwickeln und dann rasch abfallen. Zur Realisierung dieser Wärmefreisetzung wurden verschiedene Einspritzverlaufsformen und Einspritzsysteme vorgeschlagen. Weiterhin wurde für eine schadstoffarme Verbrennung eine Änderung der Zusammensetzung der zugeführten Luft empfohlen. Durch eine Erhöhung des Inertgasanteils (höhere AGR-Rate) können bei Konstanthalten des Sauerstoffgehalts die NOx-Emissionen reduziert werden, wobei der Anstieg der Rußemissionen unterbunden wird. Es wurde gezeigt, dass eine Ladedruckerhöhung ein probates Mittel zur Erzielung einer teilhomogenen Verbrennung ist.
| Betreuer | Willmann, Michael; Dipl.-Ing. |
| Gutachter | Tschöke, Helmut; Prof. Dr.-Ing. |
| Gutachter | Harndorf, Horst; Prof. Dr.-Ing. |
| Upload: | 2007-06-18 |
| URL of Theses: | http://diglib.uni-magdeburg.de/Dissertationen/2006/sebwenzel.pdf |