Diesel Dynamic Skip Fire (dDSF®): Gleichzeitige Reduzierung der NOₓ- und CO₂-Emissionen

Autoren

L. Farrell PhD, T. Frazier PhD, Cummins Inc., Columbus, USA;
M. Younkins PhD, J. Fuerst, MBA BSME, Tula Technology Inc., San Jose, USA

Jahr

2020

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 813

Zusammenfassung

Vor dem Hintergrund der sich weltweit weiter verschärfenden Abgasgrenzwerte sind die gleichzeitige Reduzierung der CO₂- und der NO_X-Emissionen gegenläufige Anforderungen für Dieselmotoren. Dynamic Skip Fire (DSF^®) ist bei V8-Ottomotoren bereits im Großserieneinsatz und hat als dDSF das Potential, bei Nutzfahrzeug-Dieselmotoren die CO₂- und NO_X-Emissionen gleichzeitig zu verbessern.
DSF ist eine weiterentwickelte Zylinderdeaktivierungs-Technologie, bei der jede beliebige Anzahl von Zylindern dynamisch von Zyklus zu Zyklus gezündet werden kann. Durch die Beeinflussung der Zündfolge und der Zylinderlast werden die Fahrzeug-Eigenfrequenzen vermieden und die Auswirkungen auf das NVH-Verhalten (Noise, Vibration and Harshness) minimiert.
Cummins und Tula haben ein Entwicklungsprojekt gestartet, um das Verbesserungspotential von dDSF für Nfz-Dieselmotoren hinsichtlich der Abgasemissionen bei akzeptablem NVH-Verhalten zu demonstrieren. Die Entwicklungsarbeiten wurden an einem 15 l Cummins X15 6-Zylinder-Dieselmotor durchgeführt. Der Motor und die Elektronik wurden modifiziert, um Tulas Dynamic Skip Firing Regelalgorithmen zu integrieren, so dass von Zylinder zu Zylinder und von Zyklus zu Zyklus die einzelnen Arbeitsspiele gezündet oder deaktiviert werden können. Die Versuchsergebnisse wurden, basierend auf umfangreichen stationären Untersuchungen, ermittelt. Anhand dieser Daten wurde das dynamische Verhalten simuliert. Es wurden Untersuchungen durchgeführt, um anhand des Heavy-Duty FTP-Zyklus und einem von der CARB (California Air Resources Board) für die zukünftigen Grenzwerte zusätzlich vorgeschlagenen Schwachlast-Zyklus (Low Load Cycle - LLC #7), die Vorteile bezüglich der CO₂- und der NO_X-Emissionen zu ermitteln. dDSF ist in Entwicklung für zukünftige Produktanwendungen. Weitere Untersuchungen sind notwendig um festzustellen, ob diese Technologie die Anforderungen an zukünftige Produkte hinsichtlich Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Kosten erfüllt.
Beim HD FTP-Zyklus konnte durch die Simulation der dDSF-Technologie eine Reduzierung der NOX-Emissionen um 45 % und eine gleichzeitige Reduzierung der CO₂-Emissionen um 1,5 % vorhergesagt werden. Bei dem vorgeschlagenen Schwachlast-Zyklus (LLC #7) wurde durch die Simulation eine Reduzierung der NO_X- um 66 % und gleichzeitig der CO₂-Emissionen um 4 % ermittelt. Eine weitere Reduzierung der NO_X-Emissionen kann durch eine zusätzliche gesteigerte konventionelle Aufheizstrategie erreicht werden. Dadurch werden allerdings die CO₂-Vorteile reduziert. Die Reduzierung der NO_X-Emissionen erfolgt im Wesentlichen durch ein optimiertes Abgastemperatur-Management und eine daraus resultierende verbesserte Konvertierungsrate des Selective Catalytic Reduction (SCR)-Abgasnachbehandlungs-Systems. Die Reduzierung der CO₂-Emissionen wird hauptsächlich durch eine Reduzierung der Ladungswechselverluste erreicht. Durch die Zylinderdeaktivierung können somit die Verbesserungen zweier normalerweise gegenläufiger Anforderungen kombiniert werden.