Simulationstechniken zur Optimierung von Abgasanlagen

Einspritzung, Verbrennung und Abgasnachbehandlung bei Motoren laufend verbessern – diesem Ziel begegnen die Forscher der Daimler AG mit ausgefeilten Simulationstechniken. Hintergrund ist, den Verbrauch noch weiter zu reduzieren und gleichzeitig strengeren Grenzwerten für Stickoxid- und Partikelemissionen Rechnung zu tragen. Durch Modellrechnungen kombiniert mit realen Versuchen lässt sich zu einem früheren Zeitpunkt ein höherer Reifegrad in der Entwicklung erreichen. So ist die umweltfreundliche BLUETEC-Dieseltechnologie – nach den positiven Erfahrungen auf dem US-Markt – auch in Europa verfügbar.

Theorie und Versuch

Bereits seit einigen Jahren betreiben die Daimler-Forscher Simulationen zur Optimierung und Auslegung von Abgasanlagen. Denn die klassischen, aber unverzichtbaren Messungen am Prüfstand sind zeit- und kostenaufwändig. Dazu kommt, dass sich das komplexe Gesamtsystem aus Motor und Abgasnachbehandlung aufgrund seiner zahlreichen Komponenten nur noch mit Hilfe der Modellierungen effizient optimieren lässt.

Durch die Verknüpfung von Simulation und Messung werden neue und moderne Abgasnachbehandlungssysteme wie BLUETEC erst möglich. Hinter dem modularen Konzept steht zunächst die Reduktion der Stickoxide durch innermotorische Optimierungen. Dazu kommt ein intelligentes System zur Abgasnachbehandlung, das ohne zusätzliche Betriebsmittel arbeitet und weitere Emissionen vermindert.

Sauberer Dieselmotor

Beim Dieselmotor haben die Experten vor allem die Stickoxid- und Partikelemissionen im Fokus. So werden sich künftige Abgassysteme generell aus Kombinationen von Filtern und Katalysatoren zusammensetzen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Einzelkomponenten untereinander in Wechselwirkung stehen. Zusätzlich kommunizieren diese Komponenten wieder mit der innermotorischen Verbrennung: Die Abgasanlage informiert den Motor zum Beispiel über einen vollen Partikelfilter, der Motor wiederum muss sich entsprechend darauf einstellen. Einzeln berechnet, gemeinsam zum Ziel

Diese komplizierten Wechselwirkungen berücksichtigen die Forscher der Daimler AG in ihren Simulationen. Sie entwickeln zum einen Modelle für Einzelkomponenten wie Drei-Wege-Katalysator, Oxidationskatalysator, SCR-Katalysator, NOX-Speicherkatalysator und Partikelfilter. Grundlage dafür sind physikalisch-chemische Prozesse.

Um diese Einzelmodelle schließlich zu einem Gesamtsystem verknüpfen zu können, haben die Daimler-Spezialisten darüber hinaus eine so genannte Simulationsumgebung entwickelt. Auf dieser Basis können sie die verschiedenen Module nach dem Baukastensystem zusammensetzen. Das garantiert eine benutzerfreundliche Handhabung. Forscher und Entwickler können nun gemeinsam die jeweils günstigste Konfiguration der einzelnen Komponenten zur Motorenoptimierung herausfinden und entsprechend planen.

Vorher bewerten

In den Berechnungen gehen die Forscher sehr unterschiedlichen Fragestellungen nach: Wie sehen die Temperaturen vor und nach der Abgasnachbehandlung aus, wie die Stickoxide? Welche Werte ändern sich bei Verwendung eines größeren Katalysators? Ist das Temperaturfenster optimal? Stimmen die Längen der verwendeten Rohre?

Nach mehreren berechneten Testzyklen ergeben sich schließlich die Daten zur Voroptimierung. Mit Hilfe der Simulation wird also zunächst die Auslegung des Gesamtsystems sowie der einzelnen Komponenten bewertet. Die realen Tests am Prüfstand können jetzt zielgerichtet beginnen. Dieses abgestimmte Zusammenspiel von Theorie und Praxis erhöht deutlich den Reifegrad in der Entwicklung. Auf diese Ergebnisse gestützt sind die Experten nun in der Lage, frühzeitig die bestmögliche Betriebsstrategie zu entwickeln, um dem Ziel der Motorenoptimierung schrittweise näher zu kommen. So stellt der auf dem europäischen Markt verfügbare E 300 BLUETEC ein Beispiel für moderne Dieseltechnologie dar – sauber und effizient.