FEV und Jaguar Land Rover konzentrieren sich auf RDE

Untersuchungen zur Erweiterung des Niederdruck-AGR-Betriebsbereichs

15. November 2016 | Engineering Service

Die Niederdruck-Abgasrückführung (Low pressure exhaust gas recirculation, LP-EGR) ermöglicht einen guten Kompromiss zwischen Stickoxid-Rohemissionen und CO2-Rohemissionen. Allerdings besteht, je nach Kühlmittel und Umgebungslufttemperatur, das Risiko von Wasserkondensation am Verdichtereinlass. Wassertropfen können die Verdichterschaufeln beschädigen und so die Nutzung der LP-EGR einschränken. In Anbetracht der jüngsten gesetzlichen Vorgaben für Emissionen in realen Fahrsituationen (Real Driving Emissions, RDE) wäre eine Erweiterung des Betriebsbereichs – insbesondere bei niedrigeren Umgebungstemperaturen – von großem Vorteil. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts haben FEV und Jaguar Land Rover (JLR) Untersuchungen an zwei verschiedenen Dieselmotoren durchgeführt – dem JLR 3,0 L SDV6 Twin-Turbo sowie dem 2,0 L „Ingenium“. Hierzu wurde ein Klima-Prüfstand aufgebaut, der über optische Zugangspunkte vor dem Verdichter verfügt, um Kondensation sichtbar zu machen.

Zweiphasige Prüfung

Die Prüfungen umfassten zwei Phasen: In Phase eins wurden Mappings im stationären Zustand für verschiedene Ansaugluft- und Kühlmitteltemperaturen bis zu einer Tiefsttemperatur von -10 °C erstellt.
Hier zeigten sich zwei Kondensationsarten: eine milde Kondensation – vergleichbar mit Dunst oder Nebel – die sich hauptsächlich bei der Vermischung von Abgasen mit kalter Luft bildet. Regelmäßige visuelle Prüfungen der Schaufeln des Verdichterrads zeigen, dass diese Kondensationsart nur geringe oder keine Schäden verursachen. Die Intensität der Kondensation erhöht sich insbesondere bei fallenden Ansauglufttemperaturen.
Eine schwerwiegendere Art der Kondensation ist die Bildung von Tropfen, die die Schaufeln des Verdichterrads stark beschädigen können. Diese Tropfen kondensieren hauptsächlich bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen direkt im LP-EGR-Kühler, ihre Bildung kann aber auch bei der Vermischung von Abgasen mit Frischluft bei sehr niedrigen Umgebungslufttemperaturen beobachtet werden. Mit den abgeschlossenen Mappings konnten die Grenzbereiche für Kühlmittel- und Umgebungslufttemperatur gesenkt werden. In der zweiten Phase wurden die Testergebnisse aus Phase eins in dynamischen Aufwärmzyklen wie NEFZ oder FTP75 validiert.

Variierende Strömungsverhältnisse an Mischpunkten

Beide Motoren zeigen stark unterschiedliche Verhaltensweisen bei der Bildung von Kondensation. Beim SDV6-Motor vermischen sich Abgas und Frischluft bei sehr geringer Turbulenz. Dies führt zu einer eher geringen Mischrate vor dem Verdichter. Dieses vergleichsweise laminare Strömungsverhalten scheint der Vermeidung von Kondensation zuträglich zu sein. Jedoch konzentriert sich die Kondensation auf die Außenseite des Rohrs, wodurch Wassertropfen mit hoher Geschwindigkeit auf das Verdichterrad treffen.
Hingegen herrscht beim Ingenium-Motor eine hohe Turbulenz bei der Mischung von Abgas und Frischluft, was zu einem hohen Vermischungsgrad führt. Bei diesem Motor kann über den gesamten Durchmesser des Rohrs vor dem Verdichterrad vermehrte Kondensation beobachtet werden. Im Vergleich zum SDV6 ist der Schaden am Verdichterrad jedoch sehr begrenzt, da das meiste Kondensat den Turbolader mit relativ geringer Geschwindigkeit in der Mitte des Rads trifft.

Schlussfolgerung

Aus der obigen Beobachtung können zwei Schlussfolgerungen gezogen werden: Einerseits kann der LP-EGR-Betriebsbereich bestehender Motoren auf niedrigere Kühlmittel- und Ansauglufttemperaturen gesenkt werden, wenn der Dauerbetrieb zur Designverifizierung keine erheblichen Nachteile zeigt. Andererseits kann aus den Ergebnissen ein Designleitfaden für zukünftige Motorenrevisionen abgeleitet werden.

Diagramme - RDE

Die Messergebnisse vom Klimaprüfstand zeigen zwei Kondensationsarten: eine milde Kondensation und eine stärkere, welche zu starken Schäden führen kann.

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