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The characterization of the working process of oxymethylene ether (OME) - An analysis of the influence of different OMEs on thermodynamic process variables on a series and a single-cylinder research engine
No full textRecent Advances in Modeling Modulating Capacitive High-Energy Ignition Systems and Application of the Findings in a New Generation of Ignition Systems
No full textEine Weiterentwicklung aktueller und zukünftiger Zündkonzepte in Großgasmotoren kann nur mit Hilfe numerischer Simulationen aller relevanten Teilprozesse erfolgen - von den Kernkomponenten des Zündsystems bis zu seiner Einflusssphäre im Brennraum: Funkenplasma und Flammenkernbildung. Wie ein solches zukünftiges Konzept für die MCDI (Modulated Capacity Discharge Ignition) Technologie mit ihrer Fähigkeit, angepasste Zündenergieverläufe zu kreieren, ausgeführt werden kann und welche Anforderungen sich daraus ergeben, wird im ersten Teil des Artikels dargestellt. Im zweiten Teil werden die Fortschritte unseres Grundlagenforschungsprojekt zum Thema DC Funkenzündung im Hinblick auf eine gekoppelte Modellierung von elektrischer Funkenzündung dargestellt. Das Projekt zielt auf ein grundlegendes Verständnis der physikochemischen Prozesse ab, um den Weg für neue Produktentwicklungen zu ebnen.Advances in ignition technology in present and future combustion concepts for spark ignited (SI) engines require, amongst others, coupled numerical simulations of all relevant processes from the components of the ignition system down to its sphere of influence in the combustion chamber: arc plasma and early flame kernel development. How such future concepts might be designed using MCDI (Modulated Capacity Discharge Ignition) technology with its ability to create tunable spark energy wave forms and what is needed from a fundamental research point of view is discussed in the first part of paper. In the second part of the paper we report on recent advances of our fundamental research project into DC spark ignition towards a coupled multi-physics simulation of electric spark ignition. The research efforts aim to deepen the fundamental knowledge of the physicochemical processes involved and thereby pave the way for further product developments
Potenzial von Ethanol Blends in modernen Ottomotoren
No full textBiogene Kraftstoffe wie Ethanol sind eine geeignete Alternative, um zum einen die Treibhausgasemissionen zu senken und zum anderen eine größere Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern zu erlangen. Aufgrund der Stoffeigenschaften kommt es darüber hinaus beim Einsatz dieses Alternativkraftstoffes im ottomotorischen Betrieb zu Effizienzsteigerungen und Verbesserungen im Emissionsverhalten.
Im Zuge mehrerer Forschungsprojekte an der Technischen Universität Wien mit dem Themenschwerpunkt Alternative Kraftstoffe wurden Ethanolbeimischungen an Ottomotoren mit Aufladung untersucht. Die vorgestellten Ergebnisse basieren auf Messungen, die einerseits auf einem stationären Motorenprüfstand andererseits auf einem Rollenprüfstand durchgeführt wurden. Bei den Untersuchungen zeigte sich an der Volllast eine Steigerung des Wirkungsgrades von bis zu 38%. In der Teillast wurden bei den unverbrannten Kohlenwasserstoffen-und Stickoxiden- Rohemissionen signifikante Absenkungen festgestellt Die positiven Auswirkungen auf den Verbrauch konnten auch im NEDC-Fahrzyklus nachgewiesen werden.Biogenous fuels like ethanol are an adequate solution for reducing the greenhouse gas emissions and for minimizing the dependence on fossil energy sources. The material properties of ethanol enable an increase in efficiency and an improvement in emission behaviour when applied in an SI engine. In the course of several alternative fuel research projects conducted at the Vienna University of Technology, ethanol blends were analyzed in SI engines with supercharging. The
presented results are based on measurements which have on one hand been conducted on a steady state engine test bench and on the other hand on a roller test bench. The tests showed an increase of efficiency of up to 38 percent at full load. At part load significant reductions in the unburnt hydrocarbon as well as in the nitrogen oxide untreated emissions could be observed. The positive effects on fuel consumption could be detected in the NEDC driving cycle, as well
Representation of measures to minimize the particulate emissions of DISI engines with special consideration of future emission legislations
No full textDer Gesetzgeber sieht für den Raum der europäischen Union neben einer weiteren Reduktion der zulässigen Kohlendioxid-Flottenemissionen für PKW und leichte Nutzfahrzeuge eine weitere Herabsetzung limitierter Schadstoffbestandteile vor. Ab 2014 wird im Rahmen der EURO 6-Abgasnorm dabei die Partikelanzahl im Abgas direkteinspritzender Ottomotoren begrenzt. Direkteinspritzende Ottomotoren bieten durch einen gesteigerten Wirkungsgrad ein hohes Potenzial zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches und somit der CO2-Emissionen, machen jedoch Maßnahmen zur Verminderung der Partikelemissionen unabdingbar. Die Beherrschbarkeit dieser teilweise gegenläufigen Forderungen wurde auf Basis eines seriennahen direkteinspritzenden Ottomotors unter Betrachtung verschiedener Maßnahmenpakete untersucht um eine Minimierung der Partikelemissionen im gesetzlich festgelegten Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) zu erreichen. Im Rahmen des Maßnahmenpaketes Partikelminderung im Brennraum wurde neben der Durchführung einer umfangreichen Variation motorischer Parameter eine angepassten Startstrategie durch Mehrfacheinspritzung auf Basis eines eigens entwickelten Steuergerätes zur Mehrfacheinspritzung realisiert. Zur Bewertung des Einflusses veränderlicher biogener Kraftstoffbestandteile bezüglich deren Potenzial zur Partikelminderung wurden unterschiedliche Ethanolblends vermessen um den Plänen der Legislative, den biogenen Kraftstoffanteil in den nächsten Jahren stufenweise zu erhöhen, Genüge zu tun. Die Langzeitstabilität des eingesetzten Gemischbildungssystems hinsichtlich der Problematik „Injektorverkokung“ wurde im Rahmen eines Dauerlaufes unter Einbeziehung wesentlicher Einflussfaktoren bewertet. Der Möglichkeit der Minimierung von Partikelemissionen mit Hilfe eines Partikelfilters wurde in umfangreichen Untersuchungen zum erreichbaren Abscheidegrad sowie zu damit in Verbindung stehenden Themenkreisen wie Beladung und Regeneration des Filters im Maßnahmenpaket Partikelminderung im Abgassystem Rechnung getragen. Die Untersuchung von antriebsseitigen Hybridisierungsstrategien als Mittel zur Partikelminderung erfolgte ebenso wie die Evaluierung damit in Verbindung stehender Synergieeffekte im Rahmen des Maßnahmenpaketes Partikelminderung durch Anpassung des Gesamtsystems.
Optimization of excitation signals for nonlinear systems
No full textDie Kalibrierung moderner Antriebssysteme wird aufgrund der gestiegenen Anforderungen hinsichtlich Treibstoffeffizienz, Emissionsreduktion etc. und der zunehmenden Anzahl von Sensoren und Aktuatoren immer komplexer, wodurch der Einsatz von mathematischen Modellen zur Optimierung der Steuergeräteparameter immer wichtiger wird. Für Automotivanwendungen beruhen diese Modelle häufig auf experimentellen Prüfstandsdaten, die das relevante Systemverhalten hinsichtlich der Dynamik und der Nichtlinearitäten abbilden. Speziell für Systeme mit einem hoch-dimensionalen Eingangsraum (z.B. Verbrennungsmotoren) stellt die Gewinnung der Daten am Prüfstand einen erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwand dar. Es stellt sich daher die Frage, wie das System optimal angeregt werden kann, sodass in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Information über das Systemverhalten gewonnen wird. Ein Ziel der Versuchsplanung (DoE) besteht darin Anregungssignale zu generieren, die eine sehr effiziente Schätzung der Modellparameter mit minimaler Varianz erlauben. Ein weiteres Ziel betrifft die Einhaltung von Betriebsgrenzen während des Prüflaufs. Dabei muss das Anregungssignal so gewählt werden, dass es zu keinen Limitüberschreitungen des zulässigen Betriebsbereichs kommt, um das System vor Schäden zu bewahren. Der zulässige Betriebsbereich betrifft dabei nicht nur den Systemeingang (z.B.: maximale Einspritzmenge eines Motors), sondern auch den Systemausgang (z.B.: maximale Abgastemperatur). Für nichtlineare dynamische Systeme stellt die Einhaltung von Ausgangsbeschränkungen eine besondere Herausforderung dar, da jeder Systemeingang zu einem beliebigen Zeitpunkt eine nichtlineare Wirkung auf alle zukünftigen Systemausgänge hat. In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden für die Optimierung des Informationsgehaltes von Anregungssignalen für nichtlineare stationäre und nichtlineare dynamische Systeme entwickelt. Als Zielfunktion wird dabei ein skalares Kriterium der Fisher Informationsmatrix optimiert. Dieses Kriterium beruht auf einem Referenzmodell. Dieser modellbasierte Ansatz der Anregungssignaloptimierung erlaubt nicht nur die Einhaltung von Eingangs-, sondern auch von Ausgangsbeschränkungen. Dabei wird das Anregungssignal mittels Referenzmodell gegebenenfalls so verändert, dass der prädizierte Systemausgang im zulässigen Bereich liegt. Weiters werden in dieser Arbeit zwei Arten der Optimierung vorgestellt. Zuerst wird die sogenannte offline Methode untersucht, die auf einer Batch-Optimierung des Anregungssignals beruht. Die Versuchsplanung, das Experiment und die Modellbildung werden dabei in voneinander getrennten Arbeitsschritten durchgeführt. Zweitens kombiniert die online Methode die oben genannten Schritte zu einem integrierten und iterativen Verfahren, das zukünftige Systemeingänge mittels aktuellem Modell optimiert. Diese Eingangsdaten werden am System appliziert und in weiterer Folge für das Update des Modells verwendet. Dabei wird die Abfolge von inkrementeller Versuchsplanung, Experiment und Modellupdate solange wiederholt, bis das Modell die erforderliche Genauigkeit aufweist. Die online Optimierungsmethode hat einerseits den Vorteil, dass die Information der aktuell vom Prozess gewonnenen Daten gleich wieder für die Optimierung der zukünftigen Systemanregung genutzt werden und andererseits das Modell online validiert werden kann. Für spezielle Anwendungen werden Modelle benötigt, die nur in einem sehr spezifischen Teilbereich des Systemausgangs sehr genau sind. Beispielsweise wird für die Kalibrierung des Steuergeräts eines Dieselmotors hinsichtlich der Einhaltung des Partikelemissionsgrenzwertes jener Betriebsbereich ausschlaggebend sein wo die Rußentwicklung im zulässigen Bereich liegt, weil der Motor nur in genau diesem Bereich betrieben wird. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit eine Methode entwickelt, die die Anregung nur in einem spezifischen Ausgangsbereich generiert. Dadurch wird der zu parametrierende Eingangsraum eingeschränkt und der experimentelle Aufwand reduziert. Die vorgestellte Methode beruht dabei auf einem Modell, das online mittrainiert und dazu verwendet wird um in jedem Zeitschritt Systemeingänge im geforderten Ausgangsbereich zu erzeugen. Die vorgestellten Methoden zur Erzeugung von optimalen Anregungssignalen werden an typischen Modellierungsaufgaben im Automotivbereich angewendet. Dabei werden einerseits die Modellqualität der erzielten Modelle, sowie die Einhaltung von Beschränkungen am Systemeingang und am Systemausgang untersucht.The calibration of modern drive chains is getting more and more complex due to the rising demand for fuel efficiency, emission reduction, etc., and due to the rising number of sensors and actuators. Therefore the application of mathematical models for the parameter optimization of the control units is becoming more and more important. In automotive applications these models are commonly derived from experimental testbed data, which contain the information of the relevant system dynamics and nonlinearities. Especially for systems with a high-dimensional input space (e.g. combustion engines) the data acquisition is involved with a considerable temporal and financial effort. For this reason, the question for optimal process excitation arises, which is driven by a maximum gain of information about the system behaviour in a minimum of time. One goal of the design of experiments (DoE) is to stimulate the underlying system in a way that the model parameters can be estimated with minimal variance and minimal effort. Another goal of experimental design concerns the compliance with system limits during the test. For this reason, the excitation signal must not lead to violations of the feasible operating range in order to prevent damage of the system. The feasible operating range affects not only the system inputs (e.g. maximum injection mass of an engine), but also the system output (e.g. maximum exhaust temperature). For nonlinear dynamic systems the compliance with output constraints poses a special challenge, since every system input at an arbitrary instant of time has a nonlinear impact on all future outputs. In the present work methods for the information content optimization of excitation signals for nonlinear static and nonlinear dynamic systems were developed. A scalar criterion of the Fisher information matrix is used as target function, which depends on a reference model. This model based approach for the optimization is not only able to provide excitation signals with compliance of input constraints but also with output constraints. For this reason, the reference model is used to modify the excitation signal in such a way that the predicted outputs are within the feasible range. Furthermore, in this work two optimization methods are presented. First, the so called offline method is investigated, which is based on a batch-optimization. The design of experiments, the experiment and modelling are executed sequentially in separated steps. Second, the online method combines these three steps to an integrated and iterative workflow, that optimizes future system inputs by use of the current process model. The optimized data are applied to the system and the model is updated. The sequence of incremental experiment design, experiment and model update is repeated until the model achieves the desired quality. The online optimization method has on the one hand the advantage that the information provided by the most recent data is immediately used for the optimization of future system inputs and on the other hand the model can be validated on the fly. For special applications models are required that are accurate in a very specific range of the system output. E.g. for the calibration of the engine control unit of diesel engines with respect to the compliance with particulate emission norms the operating range where the smoke production is within the feasible range is essential, because the engine is only operated in this specific range. For this reason, a method is developed that generates the system excitation only in a specific output range. Thus the input space to be parametrized is also reduced and the experimental effort is lowered. The presented method is based on a model which is trained online in order to generate in every instant of time system inputs that are in the custom output range. The presented methods for the generation of optimal excitation signals are tested on typical automotive modelling tasks. For this reason, the quality of the obtained models as well as the compliance with system input and output constraints are investigated
Untersuchung der Ursachen für Kohlenwasserstoffemissionen beim Ottomotor mit homogener Selbstzündung (HCCI)
Full text linkEin Motor mit geringem Kraftstoffverbrauch und somit auch geringem Kohlenstoffdioxidausstoß, der die zukünftigen gesetzlichen Abgasvorschriften erfüllt und zum Fahrspaß des Kunden beiträgt, ist das Ziel der Forschung- und Entwicklungsarbeiten auf dem Motorensektor. Das im Forschungsstadium befindliche alternative Brennverfahren "Homogeneous Charge Compression Ignition" (HCCI) verspricht beim Ottomotor gute Verbrauchswerte bei geringen Stickoxidrohemissionen. Als gesetzlich begrenzte Abgasemissionen verbleiben bei diesem Brennverfahren zumeist erhöhte Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen. Um die Kohlenwasserstoffemissionen weiter reduzieren zu können, ist das Ziel dieser Arbeit, das Verständnis über die Ursachen und Quellen der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren mit Ottokraftstoff zu erweitern.Nach der Beschreibung des HCCI Brennverfahrens werden zunächst die bekannten Kohlenwasserstoffquellen bei konventionellen Ottoverfahren geschildert und die bisherigen Erkenntnisse bezüglich Ursachen der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren aufgelistet. Es wird angenommen, dass viele vom konventionellen Ottomotor bekannten Ursachen für die Kohlenwasserstoffemissionen auch beim HCCI Brennverfahren gelten. Aus diesem Grund konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Verbrennung und die Gemischbildung, da hier die größten Unterschiede in den Brennverfahren vorliegen.Zur Durchführung der Experimente wird ein moderner 1,6 l Serienmotor mit Direkteinspritzung der Volkswagen AG verwendet, der im Ventiltrieb für den HCCI Betrieb modifiziert ist. Ein schneller Flammenionisationsdetektor, "Kohärente anti-Stokes Raman Spektroskopie" Lasermesstechnik mit optisch zugänglichem Motor zur Messung der Ladungstemperatur und kurbelwinkelaufgelöste Verbrennungsaufnahmen ergänzen die Standardmesstechnik. Die Analyse der Messungen wird durch eindimensionale und dreidimensionale Strömungsberechnungen unterstützt.Der Einfluss der Verbrennung auf die Kohlenwasserstoffemissionen wird anhand einzelner Variationen von Motorstellgrößen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Hauptquelle für Kohlenwasserstoffemissionen die reaktionsfreie Grenzschicht an der Brennraumwand ist, die von der Verbrennungslage abhängt. Dabei ist die zum Erreichen der Verbrennungslage verwendete Motorstellgröße von untergeordneter Bedeutung.Die Untersuchung verschiedener Kolbenvarianten zeigt, dass die Spalträume, insbesondere der Kolbenfeuersteg, wie bei konventionellen Ottobrennverfahren einen großen Anteil an den Kohlenwasserstoffemissionen verursachen. Die direkte Kolbenbenetzung durch den Kraftstoffstrahl führt mit der Zeit zur Bildung einer Rußschicht auf dem Kolben und somit einem erhöhten Anstieg der Kohlenwasserstoffemissionen. Die Realisierung einer zusätzlichen Hochdrucksaugrohreinspritzung erlaubte einen größeren Einfluss auf die Gemischbildung zu nehmen, um z.B. die direkte Brennraumwandbenetzung zu vermeiden. Ein Einfluss dieser Maßnahmen auf die Kohlenwasserstoffemissionen konnte nicht festgestellt werden, so dass die Aufbereitungsbedingungen im Brennraum als ausschlaggebend angesehen werden.Zur Reduktion der Kohlenwasserstoffemissionen beim HCCI Brennverfahren eignen sich viele der beim konventionellen Ottomotor bekannten Maßnahmen wie Reduzierung des Feuerstegvolumens oder Vermeidung von Brennraumwandablagerungen (z.B. Rußschicht auf dem Kolben). Für die Kohlenwasserstoffemissionen speziell beim HCCI Brennverfahren ist die Verbrennungslage von Bedeutung. Denn unabhängig von der Stellgröße kann das Niveau der Kohlenwasserstoffemissionen unter Voraussetzung eines sinnvollen Betriebs mit der Verbrennungslage beeinflusst werden. Somit sind beim HCCI Brennverfahren zur Abstimmung der optimalen Verbrennungslage neben Verbrauch, Drehmoment und Komfort die Kohlenwasserstoffemissionen zu berücksichtigen.The main aim of research and development in the field of internal combustion engine is to create an engine with low fuel consumption and hence low carbon dioxide emissions to meet future emissions regulations as well as providing a good driving experience.Homogeneous charge compression ignition (HCCI) is an alternative combustion process being currently developed that promises a good fuel consumption rate and low nitrogen oxide emissions for the gasoline engine. The only legally restricted exhaust gas emissions for this combustion process are carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC). The aim of this research was a better understanding of the causes and sources of hydrocarbon emissions with HCCI using gasoline so as to further reduce hydrocarbon emissions.A description of the HCCI combustion process is followed by a list of the known sources of hydrocarbon emission in conventional gasoline engines and current knowledge of the causes of hydrocarbon emission with HCCI. It is assumed that many of the known causes of hydrocarbon emissions in the conventional gasoline combustion process are the same for HCCI. For this reason, this study focused on combustion and carburation, which is where the combustion processes differ the most.The trials used an advanced Volkswagen AG (VW Inc.) 1.6 l series engine with direct injection whose valve train was modified for HCCI. The standard measurement method was complemented by a fast flame ionisation detector, a coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS) laser measurement and high-speed imaging technique. For the last two methods an engine with optical access to the combustion chamber was used. Data analysis was also supported by one-dimensional and three-dimensional computational fluid dynamics.The influence of combustion on hydrocarbon emission was determined by varying one engine parameter at a time. The results showed that the main source of hydrocarbon emissions is the inert boundary layer of gas which is next to the wall of the combustion chamber. This inert layer is particularly affected by the timing of combustion, where the parameter needed for achieving this timing is of minor importance.Examination of different piston types shows that the crevices, particularly the piston top land, cause much of the hydrocarbon emissions (as they do with conventional gasoline combustion). Directing the fuel spray onto the piston caused the formation of a sooty layer on the piston surface and hence increased hydrocarbon emissions.Introducing an additional high-pressure multi-point injection allowed greater influence on fuel-mixture generation and prevented the fuel from making direct contact with the wall of the combustion chamber. The high-pressure multi-point injection was not found to influence hydrocarbon emissions, so that conditions in the combustion chamber itself are considered to be decisive. Conditions outside of the combustion chamber are of less importance for the fuel-mixture generation.A reduction of the hydrocarbon emissions with HCCI can be achieved using largely the same measures as those for the conventional gasoline engine such as reducing top land volume and preventing deposits on the wall of the combustion chamber (e.g., sooty layer on the piston surface). For HCCI, the timing of combustion is of particular importance regarding the emission of hydrocarbons. The level of hydrocarbon emissions is affected by the timing of combustion irrespective of the engine operating parameters (assuming that the engine is operated properly). Thus, the challenge for the engineer is to find the optimum timing of combustion for the best fuel consumption, torque, noise vibration harshness and with HCCI additionally for hydrocarbon emissions
Investigations into spray and combustion processes at conditions typical of large diesel engines making use of a spray combustion chamber specifically devised for this purpose
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Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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