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J. Konrad:
"Die Zylinderabschaltung bei mittelschnelllaufenden Dual-Fuel-Motoren";
Supervisor, Reviewer: T. Lauer, A. Wimmer, B. Buchholz; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA), 2019; oral examination: 2019-12-06.

Medium-speed dual-fuel engines are suitable for use on fixed routes within the IMO Emission Control Areas. They comply with the maritime IMO Tier III NOX-limits without exhaust aftertreatment systems. Especially at low load, the unthrottled engine operation results in incomplete combustion with reduced efficiency and methane slip due to the lean relative air-fuel ratio. The present work discusses the thermodynamic investigation of the cylinder cut-out in medium-speed diesel-gas-dual-fuel-engines (DGDF). On this basis, the efficiency in compliance with IMO Tier III is optimized by means of the one-dimensional engine process simulation. The cylinder cut-out is implemented electronically by deactivating the natural gas admission. Predictive models can be used to reproduce and predict the engine performance with DGDF combustion, knack behavior, HC- and NOX -emissions in a map measured on the multi- and singlecylinder engine test bench. The predictive models have a constant set of model parameters over the whole map, which has been adjusted by developed optimization processes. For the cylinder cut-out, the charge air pressure control conducted by the charge-air-blow-off valve is preferred over the wastegate due to the accelerated change between basis- and cut-out operation. The cut-out-sequences were evaluated and selected for the uniformity of gas exchange an4 load distribution on the fired cylinders. Static cylinder deactivation and skip-firing increase the IMEP of the fired cylinders and the load-dependent efficiency. The increase in efficiency, especially in low load operation, is based on the increase in turbocharger efficiency, reduced pumping and wall heat losses, and considerably on the increased fraction of burned fuel. The higher cylinder load allows the reduction of the diesel pilot share. This shifts the diesel-like combustion toward premixed gas combustion with lowered peak combustion temperatures and thermal NOx-emissions. Engine operation with static cylinder deactivation and skip-firing shows comparable efficiencies for NOX-emissions compliant with IMO Tier III. In compliance with IMO Tier III and the knock limit, skip-firing-operation has been optimized for maximum efficiency by minimizing the relative air-fuel ratio and maximizing the skip-firing-share. Optimized skip-firing can increase the cylinder-cut-out-share and the load range where cylinder cut-out can be applied and, especially in the low load range, achieve significantly increased efficiency and reduced methane slip. Achieved results and tendencies are confirmed by test bench measurements.

Mittelschnelllaufende Dual-Fuel-Motoren eignen sich für den Einsatz auf festen Routen innerhalb der IMO Emission Control Areas. Sie halten die maritimen IMO Tier III NOx-Grenzwerte ohne Abgasnachbehandlung ein. Gerade bei niedriger Last führt der ungedrosselte Motorbetrieb aufgrund des mageren Verbrennungsluftverhältnisses zur unvollkommenen Verbrennung mit reduziertem Wirkungsgrad und Methanschlupf. Die vorliegende Arbeit zeigt die thermodynamische Untersuchung der Zylinderabschaltung (ZAS) bei mittelschnelllaufenden Diesel-Gas-Dual-Fuel-Motoren (DGDF) und darauf aufbauend die Optimierung des, Wirkungsgrad unter Einhaltung von IMO Tier III mittels der eindimensionalen Motorprozessrechnung. Die ZAS ist elektronisch durch Deaktivieren der Gaszufohr implementiert. Durch prädiktive Modelle kann das Motorbetriebsverhalten mit DGDF-Verbrennung, Klopfverhalten, HC- und NOx-Emissionen in einem am Multi- und Einzylindermotorprüfstand vermessenen Kennfeld wiedergegeben und vorausberechnet werden. Die prädiktiven Modelle besitzen einen über das gesamte Kennfeld konstanten Satz an Modellkonstanten, welcher durch entwickelte Optimierprozesse gefittet wurde. Für die ZAS ist die Ladeluftdruckregelung per Charge-Air-Blow-Off-Ventil aufgrund des beschleunigten Wechsels zwischen Basis- und ZAS-Betriebs gegenüber einem Wastegate zu bevorzugen. Die ZAS-Sequenzen wurden nach der Gleichmäßigkeit von Ladungswechsel und Lastverteilung auf die gefeuerten Zylinder bewertet und ausgewählt. Durch statische Zylinderabschaltung (SZ) und Skip-Firing (SF) steigen der indizierte Mitteldruck der gefeuerten Zylinder und der lastabhängige effektive Wirkungsgrad. Die Wirkungsgradzunahme besonders im unteren Lastbereich basiert auf der Steigerung von Turboladerwirkungsgrad, reduzierten Pump­ und Wandwärmeverlusten sowie signifikant auf dem erhöhten Kraftstoffumsatz. Die höhere Zylinderlast erlaubt die Reduktion des Dieselpilotanteils. Dadurch wird die sehr dieselähnliche Verbrennung in Richtung einer vorgemischten Gasverbrennung mit gesenkten Verbrennungsspitzentemperaturen und thermischen NOx-Emissionen verschoben. Der Motorbetrieb mit SZ und SF zeigt bei IMO Tier III konformen NOx-Emissionen vergleichbare Wirkungsgrade. Unter Einhaltung der IMO Tier III und der Klopfgrenze wurde der SF-Betrieb hinsichtlich des maximalen Wirkungsgrads durch Minimierung des Luftverhältnisses sowie Maximierung des Abschaltgrads optimiert. Durch optimiertes SF können Abschaltgrad und SF-Lastbereich erhöht und vor allem im Niederlastbereich deutliche Wirkungsgradsteigerung und Methanschlupfsenkung erreicht werden. Erzielte Ergebnisse und Tendenzen werden durch Prüfstandsmessungen bestätigt.