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T. Hofherr:
"Potenzialbetrachtung effizienzsteigender Maßnahmen sowie Abgasnachbehandlungsmöglichkeiten eines direkteinblasenden Erdgasmotors für die PKW-Anwendung";
Supervisor, Reviewer: B. Geringer, H. Eichlseder; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA), 2015; oral examination: 2015-11-18.

The global efforts to reduce C02 emissions, as well as the restrictions on fleet fuel consumption, accelerate the development of efficient driving solutions.
A promising approach is the use of methane, the main component of natural gas, because
of a C02 reduction of about 25 % according to the low carbon content. Furthermore, methane provides, due to the high knock resistance, the possibility for efficiency raising
measures.
In the present work, the consequent adaption of a gasoline turbocharged three cylinder
engine with 658 cm3 and four valves per cylinder for the use of natural gas is evaluated.
Therefore, a stoichiometric combustion process with natural gas direct injection is implemented. With respect to the high knock resistance, pistons with an increased compression ratio of 13,6 and higher peak pressure stability as well as reinforced con rods are " used. In addition, the variation of the intake valve timing allows the internal exhaust gas recirculation during part load and scavenging at wide open throttle operation.
During part load, the engine can be de-throttled and mixture formation can be improved
by intake synchronized injection. For a high LowEnd torque, the injection takes place after
the intake valves close, eliminating the displacement effect of natural gas and causing an
increased engine torque. In addition, a significant increase in torque is achieved by scavenging. Only raising the compression ratio shows a marginal advantage in fuel consumption due to increased wall heat and unburned fuel losses. Through a reduction of the compression ratio to 12,0, the combustion chamber shape is more favorable and presents the optimum for this engine.
A modified intake camshaft design, with interlaced valve litt curves of the two intake
valves, leads to the implementation of an Atkinson cycle, which creates significant fuel
consumption improvement during part load and increased volumetric efficiency in full load
operation.
This results in an 8 % reduced fuel consumption by improved combustion process during
the New European Driving Cycle on top of the 25 % C02 savings due to the fuel properties.

The methane slip is a big challenge for the exhaust gas aftertreatment of natural gas
engines. The required catalyst temperature to reach the light-off point in comparison to
gasoline is about 200°C higher than for the stabile molecule methane. In slightly rich engine
operation an increased methane conversion can be achieved at reduced temperatures,
which, however, goes along with the formation of ammonia. One promising measure
for fast achievement of the light-off temperature is the post injection during late combustion.

Die weltweiten Bestrebungen zur Senkung des C02 Ausstoßes sowie aktuelle Beschränkungen des Flottenverbrauchs forcieren die Entwicklung effizienterer Antriebslösungen. Hierbei stellt Methan, respektive Erdgas als Kraftstoff, einen vielversprechenden Ansatz dar. Alleine durch das geringe C/H Verhältnis geht eine C02 Reduktion von rund 25 % einher. Weiterhin bietet Methan durch die hohe Klopffestigkeit die Möglichkeit effizienzsteigernder Maßnahmen.
In der vorliegenden Arbeit wird die konsequente Adaption eines Dreizylinder-Vierventilmotors mit 658 cm3 und Turboaufladung auf den Kraftstoff Erdgas untersucht und bewertet. So wird ein stöchiometrisches Brennverfahren mit Erdgasdirekteinblasung umgesetzt, mit einem gesteigerten Verdichtungsverhältnis von 13,6 der hohen Klopffestigkeit von Methan Rechnung getragen und die Spitzendruckfestigkeit des Motors angepasst. Zudem wird durch eine Variabilität der Einlassventilsteuerzeit die interne Abgasrückführung in der Teillast, und Scavenging in der Volllast ermöglicht.
In der Teillast kann durch den frei wählbaren Einblaszeitpunkt eine leichte Entdrosselung
des Motors und verbesserte Gemischaufbereitung bei saugsynchroner Einblasung erreicht werden. Im Bereich des LowEnd Torque erfolgt die Einblasung nach Einlassventil
schließt, wodurch der Verdrängungseffekt des gasförmigen Erdgases eliminiert wird und
daraus ein erhöhtes Drehmoment resultiert. Zudem kann eine signifikante Drehmomentsteigerung durch Scavenging umgesetzt werden. Die alleinige Verdichtungserhöhung führt wegen erhöhter Wandwärme- sowie Abgasverluste nur zu einem marginalen effektiven Verbrauchsvorteil. Hier hat die Brennraumform einen entscheidenden Einfluss. Durch eine Reduktion des Verdichtungsverhältnfsses von 13,6 auf 12,0 wird die Brennraumform günstiger gestaltet und ein Optimum für diesen Motor gefunden. Eine geänderte Einlassnockenwellenauslegung mit verschränkten Ventilhubkurven der beiden Einlassventile führt zur Umsetzung eines Atkinsonzyklus, einer deutlichen Verbrauchsverbesserung in der Teillast und zur gesteigerten Füllung in der Volllast. So können im NEFZ, neben der 25 % C02 Einsparung aus den Kraftstoffeigenschaften, weitere 8 % durch ein verbessertes Brennverfahren bzw. Ladungswechsel nachgewiesen werden.
Problematisch bei Erdgasmotoren zeigt sich der Methanschlupf für die Abgasnachbehandlung. Das stabile Molekül Methan benötigt in etwa 200°C höhere Temperaturen im Dreiwegekatalysator als Benzin, um die Light-Off Temperatur zu erreichen. Im leicht fetten Motorbetrieb kann eine gesteigerte Methankonvertierung bei etwas reduzierten Temperaturen eingestellt werden, was jedoch mit der Bildung von Ammoniak einhergeht. Eine vielversprechende Maßnahme zur zeitnahen Erreichung der Light-Off Temperatur stellt die Nacheinblasung in die späte Verbrennung dar.