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Diploma and Master Theses (authored and supervised):

M Dlabac:
"Experimentelle Untersuchung und Bewertung von Maßnahmen zur Steigerung des Wirkungsgrades eines Miller-Ottomotors";
Supervisor: P. Hofmann, G. Klinglmayr; Forschungsbereich Maschinenbauinformatik und Virtuelle Produktentwicklung | Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2019; final examination: 2019-06-13.



English abstract:
The OEM's ambition to develop low-consumption engines is motivated by many reasons. First of all, the legally permitted exhaust limits are becoming increasingly stringent. Above all, the given fleet consumption forces manufacturers to design their engines more efficient in order to prevent penalties if the requirements are exceeded. This problem is further aggravated by the fact that the sales figures for lowconsumption diesel vehicles are falling, which means that gasoline-powered cars have a bigger impact in the balance sheet. Also the slow start of sales of electric veh icles increases the pressure on the gasoline engine. Also, low fuel consumption is an essential element in order to compete with competitors in the market.

Even though the gasoline engine has a long history of development, new technologies are still regularly finding their way into series production. Noteworthy technologies that have been keeping the gasoline engine competitive for some years now include directinjection and downsizing. Recent developments include the Miller-Cycle and the use of VTG-turbochargers. Another very important role is played by variable camshaft control, which optimizes the valve timing for each load point.
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This work was developed as part of a project with the aim of increasing the effective efficiency of a gasoline engine to 45 percent using various technologies. The basis was a direct-injection four-cylinder engine, which works with the Miller-Cycle and is charged by VTG-turbocharger. In order to be able to assess the other technologies examined in the project in terms of their effects on efficiency, a base map survey was performed. Subsequently, an external low-pressure exhaust gas recirculation was set up and installed. The positive effects of this on the efficiency, the combustion temperature and the NOx emissions became clear in the following measurements. An important influencing factor was the ignition timing, which was chosen so that an optimal combustion phasing was achieved. lt reaching that optimum was not possible, the ignition angle was adapted so that the engine was operated at the knock limit. As a further measure, the compression ratio was raised from a standard 12.5 to 13.5 through the use of adapted pistons. After the modification, the engine was measured again with raised compression ratio and exhaust gas recirculation.
The measurements in this work served as a basis for the further expansion stages of the project. In order to achieve the desired effective efficiency of 45 percent, water injection will be installed as the next measure in order to cool the combustion chamber and expand the area of stoichiometric operation within the engine map. Finally, by means of a reformer, further energy is recovered from the exhaust gas and thus the fuel is pre-processed.

German abstract:
Das Bestreben der Automobilhersteller verbrauchsärmere Motoren zu entwickeln ist Durch vielerlei Gründe motiviert. Die gesetzlich erlaubten Abgaslimits werden zunehmend strenger, vor allem die vorgegebenen Flottenverbräuche zwingen die Hersteller ihre Motoren effizienter zu gestalten, um Strafzahlungen bei Überschreiten der Vorgaben zu verhindern. Dieses Problem wird zusätzlich dadurch verschärft, dass die Absatzzahlen der verbrauchsärmeren Dieselfahrzeuge sinken, wodurch die benzinbetriebenen PKW stärker in die Bilanz einfließen. Auch die nur langsam anlaufenden Absatzzahlen von Elektrofahrzeugen steigern den Druck auf den Ottomotor. Des Weiteren ist ein geringer Kraftstoffverbrauch ein essenzieller Baustein, um sich auf dem Markt gegen Konkurrenten behaupten zu können.

Auch wenn der Ottomotor schon eine lange Entwicklungsgeschichte hinter sich hat, finden immer noch regelmäßig neue Technologien Einzug in die Serienproduktion. Nennenswerte Technologien, die bereits seit einigen Jahren den Ottomotor konkurrenzfähig halten, wären zum Beispiel die Direkteinspritzung und das Downsizing. Neuere Entwicklungen sind das Miller-Brennverfahren und der Einsatz von VTG-Turboladern. Eine weitere sehr zentrale Rolle spielen variable Ventiltriebe, die die Steuerzeiten der Ventile für den jeweiligen Lastpunkt optimieren.

Diese Arbeit entstand im Rahmen eines Projektes mit dem Ziel den effektiven Wirkungsgrad eines Ottomotors mit Hilfe verschiedener Technologien auf 45 Prozent zu heben. Die Basis stellte ein direkteinspritzender Vierzylinder-Motor dar, der mit dem Miller-Zyklus arbeitet und mittels VTG-Turbolader aufgeladen ist. Um die weiteren, im Rahmen des Projektes, angewandten Technologien bezüglich ihrer Auswirkungen auf den Wirkungsgrad beurteilen zu können, wurde eine Basiskennfeldvermessung durchgeführt. Anschließend wurde eine externe Niederdruck-Abgasrückführung aufgebaut und installiert. Die positiven Auswirkungen dieser auf den Wirkungsgrad, die Verbrennungstemperatur und die NOx-Emissionen wurden in den folgenden Messungen deutlich. Eine wesentliche Einflussgröße stellte der Zündzeitpunkt dar, der so gewählt wurde, dass sich eine optimale Verbrennungsschwerpunktlage ergab. Falls ein Erreichen dieses Optimums nicht möglich war, wurde der Zündwinkel so adaptiert, dass der Motor an der Klopfgrenze betrieben wurde. Als weitere Maßnahme wurde durch den Einsatz von adaptierten Kolben das Verdichtungsverhältnisse von serienmäßig 12,5 auf 13,5 gehoben. Nach dem Umbau wurde der Motor mit erhöhtem Verdichtungsverhältnis und Abgasrückführung abermals vermessen.

Die Messungen im Rahmen dieser Arbeit dienten als Basis für die weiteren Ausbaustufen des Projektes. Um den angestrebten Wirkungsgrad von 45 Prozent zu erreichen, wird als nächste Maßnahme eine Wassereinspritzung appliziert, um den Brennraum zu kühlen und dem Bereich des stöchiometrischen Betriebes auszuweiten. Zuletzt soll mittels eines Reformers weitere Energie aus dem Abgas genutzt und damit der Kraftstoff aufbereitet werden.

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.