Theodor Sams

Fuel Effects on Regulated Emissions From Advanced Diesel Engines and Vehicles

The introduction of sulphur-free fuels will enable advanced engine and exha st after-treatment technologies to meet increasingly stringent exhaust emissions regulations. As these cleaner fuels and vehicles are introduced, the potential for further improvements in air quality through changes to fuel properties can be expected to diminish. Nevertheless, CONCAWE has continued to update knowledge by evaluating fuel effects on emissions from new engine/vehicle technologies as they approach the market. In this work, carried out as part of CONCAWEs contribution to the EU PARTICULATES consortium [1], two advanced light-duty diesel vehicles and three heavy-duty diesel engines covering Euro-3 to Euro-5 technologies, were tested. The fuels tested covered a range of sulphur content and compared conventional fuels with extreme fuel compositions such as Swedish Class 1 and Fischer Tropsch diesel fuels. The emissions benefits from the advanced engine/vehicle technologies operating on sulphur-free fuels are impressive and likely to bring substantial improvements in European air quality as the vehicle fleet is replaced. Particulate filters have the potential to reduce diesel particulate mass (PM) emissions by more than an order of magnitude. Capability for substantial improvements in control of NOx emissions is also evident. Fuel effects on PM and NOx emissions were also observed. In Euro-3 engines, the effects from extreme fuel changes were in the range of 10-20%. When advanced emission control technologies such as diesel particulate filters (DPFs) were used, PM emissions were so low that the impact of changing fuel properties became negligible. Extreme fuel changes continued to affect NOx emissions even with the advanced engine technologies, although these fuels also reduced maximum power. Optimisation of the exhaust after-treatment was also important, with increasing urea rate reducing NOx emissions. Further progress on NOx emissions can be expected as control of engine-out emissions improves and NOx after-treatment technology matures, with the availability of sulphur-free fuels.

Wärmeübergang im Ein- und Auslaßsystem

Die standig steigenden Genauigkeitsanforderungen an Simulationswerkzeuge zur Entwicklung von Verbrennungsmotoren verlangen auch eine zunehmend detailliertere Berechnung des Warmeuberganges, der eine wichtige Randbedingung des motorischen Arbeitsprozesses darstellt. Dies gilt insbesondere fur die Bauteilbeanspruchung und den Ladungswechsel. In diesem Beitrag werden Untersuchungen zur Bestimmung des Warmeuberganges im Ein- und Auslassystem dargestellt. Die Arbeiten wurden am Institut fur Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der Technischen Universitat Graz durchgefuhrt. Sie entstanden im Rahmen einer Zusammenarbeit des Christian-Doppler-Labors fur Thermodynamik des Verbrennungsmotors mit der AVL List GmbH, Graz.

Integration von Simulationswerkzeugen zur Optimierung von Motorkonzepten

Der folgende Beitrag der AVL List GmbH befasst sich mit einer integrierten Anwendung von Simulationswerkzeugen zur Festlegung des Motorkonzepts und Optimierung der Thermodynamik-Auslegung. Es werden die drei wesentlichen Schritte der Vorgangsweise, Parameter-Spezifikation, Ausfuhrung der Variationsrechnung und automatisierte Optimierung beschrieben. Zur umfassenden Darstellung der innermotorischen Vorgange werden neue beziehungsweise verbesserte Simulationsansatzefur die Verbrennung, die Stickoxidbildung und den Warmeubergang benutzt.Verifikationsbeispiele belegen die Aussagefahigkeit der eingesetzten Berechnungsmodelle. Anhand der Erstellung eines Motorkonzepts wird die Arbeitsweise der Auslegungsmethode verdeutlicht.

Berechnung der Strömung in Rohrverzweigungen

Bei der Berechnung des Ladungswechsels in eindimensionalen Simulationsprogrammen ist die Modellierung der Stromungen in Rohrverzweigungen von Bedeutung. Die dazu bisher ubliche Verwendung der Durchflusgleichung mit empirisch zu ermittelnden Durchflusbeiwerten weist einige Unzulanglichkeiten auf.

The impact of running-in on the friction of an automotive gasoline engine and in particular on its piston assembly and valve train:

Generally, mating surfaces that are in tribological contact undergo a running-in process at the beginning of their operational lifetime. During this running-in phase, the tribological operating condition changes significantly leading ideally to long-term operation with a minimum of continuous wear. While this process and its duration are rather well understood for single machine elements like journal bearings, it is the aim of this work to investigate the running-in behaviour of more complex systems like an internal combustion engine and its sub-assemblies. To gain insight into the influence and duration of this running-in phase, a series of tests have been performed under realistic engine operating conditions. To be able to separate the running-in processes for the individual subsystems’ piston assembly, valve train and journal bearings of the crank train, a large series of tests have been conducted for a conventional gasoline passenger car engine. The results show a strong influence of the running-in process on total engine friction, which can be attributed mostly to the direct acting valve train and to a considerably lesser extent to the piston assembly.

Ein- und Auslasssystem, Aufladung

Fur die Berechnung des Ladungswechsels nach Abschn. 4.2.6 sind die Verlaufe der Temperaturen und Drucke an den Systemgrenzen des Brennraums als Randbedingungen vorzugeben. Die Bestimmung dieser Temperaturen und Drucke kann messtechnisch oder rechnerisch erfolgen. Die Berechnung des gesamten Einlass- und Auslasssystems stellt aufgrund der Bedeutung des Ladungswechsels und der davon abhangigen Grosen wie Luftaufwand, Luftverhaltnis, Restgasanteil, Motorleistung, Kraftstoffverbrauch und Abgasemission eine wichtige Aufgabe dar. Diese kann auf verschiedene Weisen mit unterschiedlicher Genauigkeit, aber auch unterschiedlichem Aufwand gelost werden.

Analyse des Arbeitsprozesses ausgeführter Motoren

Eine globale Beurteilung des Arbeitsprozesses ausgefuhrter Motoren kann in Energiebilanzen nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik erfolgen, wobei je nach Aufgabenstellung und Festlegung der Systemgrenzen der gesamte Motor oder nur ein Teilbereich des Motors wie z. B. der Brennraum untersucht wird. Eine detaillierte Auflistung und Quantifizierung theoretisch vermeidbarer Einzelverluste des Arbeitsprozesses erlaubt die Verlustanalyse, die das Verbesserungspotential fur Teilbereiche der Prozessfuhrung aufzeigt.

Anwendung der thermodynamischen Simulation

Die thermodynamischeAnalyse ausgefuhrter Motoren beruht auf der Vorgabe von im Brennraum gemessenen Druckverlaufen. Damit konnen in der Motorprozessrechnung einerseits Heiz- und Brennverlaufe bestimmt werden, andererseits kann uber eine Verlustanalyse die Effizienz des Motors in Relation zu einem Idealprozess beurteilt werden (vgl. Kap. 6).