Innovatives Konzept zur Erfüllung der Emissionsvorschriften im Schwachlastbetrieb von Dieselmotoren für EU7 und darüber hinaus

Autoren

Dr. M. Elicker, Dr. M. Scheidt, Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach;
Dr. M. Brauer, R. Pohlke, Dr. K. Hielscher, IAV GmbH, Berlin;
J. Geddes, J. Kiyanni, Jaguar Land Rover Ltd., Coventry

Jahr

2020

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 813

Zusammenfassung

Dieser Beitrag beschreibt das Potenzial einer innovativen Ventilhubstrategie zum
Abgastemperaturmanagement an einem EU6d konformen Reihenvierzylinder Dieselmotor von Jaguar Land Rover. Die innovative Ventilhubstrategie beruht anders als die häufig untersuchte abgasseitige Variabilität zur internen Abgasrückführung maßgeblich auf einer einlassseitigen Variabilität zur drosselfreien Reduzierung der Zylinderladung. Die variable Ventilsteuerung wurde
durch das eRocker System mit schaltbaren Rollenschlepphebeln der Firma Schaeffler Technologies AG und Co. KG realisiert.
Im ersten Schritt erfolgte die Auslegung der Ventilhubstrategien mit Hilfe der der 1D-Simulation. Die einlassseitige Variabilität wurde durch ein frühes Einlassventil Schließen, auch als „Miller-Steuerzeit“ bekannt, realisiert. Die Verwendung des Auslassventil-Zweithubs ermöglicht die interne Abgasrückführung. Unter den gegebenen Randbedingungen erwies sich die Kombination aus zwei verschiedenen Auslassventil-Zweithüben mit 1,5 mm und 0,9 mm Zweithubhöhe und einem Einlassventilhub mit 90 °KW Steuerbreite als zielführend. Die Simulation zeigt erhebliches Potenzial die Abgastemperatur anzuheben und dabei den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu konventionellen
Heizmaßnahmen deutlich abzusenken.
Im zweiten Schritt wurde das eRocker System in einen AJ200D Dieselmotor integriert. Das Potenzial zum Abgastemperaturmanagement wurde experimentell am Motorprüfstand im Temperaturbereich von -7 °C bis 90 °C untersucht.
• Bei 90 °C Motorkühlmittel- und Öltemperatur („Motortemperatur“) ließ sich mit Hilfe des frühen Einlassventil Schließen der Kraftstoffverbrauch teilweise unter das Niveau des Referenzpunktes ohne Heizmaßnahmen absenken und gleichzeitig die Abgastemperatur deutlich anheben. Gegenüber den konventionellen Heizmaßnahmen zeigte sich ein Kraftstoffverbrauchsvorteil
von bis zu 8 % bei akzeptabler HC- und CO-Emission.
• Bei 20 °C Motortemperatur führte die zusätzlich zur internen Abgasrückführung verwendete Strategie mit frühem Einlassventil Schließen zu keinem weiteren Kraftstoffverbrauchsvorteil.
Vielmehr resultierte eine instabile Verbrennung mit geringem Kraftstoffumsetzungsgrad, die zu hoher HC- und CO-Emission führte. Im Gegensatz dazu zeigte die Strategie mit interner Abgasrückführung ohne frühes Einlassventil Schließen einen Kraftstoffverbrauchsvorteil gegenüber der konventionellen Heizstrategie von bis zu 11 % bei unveränderter HC- und CO-Emission.
• Der Betrieb bei -7 °C Motortemperatur führt grundsätzlich zu schlechten Zündbedingungen im Brennraum. Ein Betrieb mit frühem Einlassventil Schließen war deshalb nicht möglich.
Die Anwendung von interner Abgasrückführung erhöhte die Verbrennungsstabilität bei geminderter CO- und HC-Emission und erzielte einen Kraftstoffverbrauchsvorteil von bis zu 9 % gegenüber den konventionellen Heizstrategien.
Die Ergebnisse der Messungen am Motorprüfstand bestätigen die zuvor in der Simulation getätigten Aussagen. Die in der Simulation ausgelegte Ventilhubkonfiguration erwies sich auch im realen Motorbetrieb als zielführend und es konnte ein Motorbetrieb mit hoher Abgastemperatur und deutlichem Vorteil im Kraftstoffverbrauch realisiert werden. Das Potenzial einer Absenkung der Motorrohemissionen wurde ebenfalls bestätigt.