Gas-Diesel-Brennverfahren

Gasmotoren für Pkw werden üblicherweise auf Basis von Ottomotoren realisiert. Für Groß- und Stationärmotoren hingegen ist ein dieselähnlicher Einblas- und Verbrennungsprozess besser geeignet – damit ließe sich ein Wirkungsgrad von annähernd 50 Prozent erreichen. Doch das Verfahren einer Hochdruck-Gaseinblasung ist komplex. Trotz mehrerer Forschungsvorhaben in den vergangenen Jahren fehlte es bislang an grundlegendem Verständnis für den Einblas-, Zünd- und Verbrennungsprozess. Forscher der Universität der Bundeswehr in München entwickelten nun unter anderem Strömungssimulationswerkzeuge, die anschließend am Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme der ETH Zürich validiert wurden. Die Forscher experimentierten mit verschiedenen Einblasdrücken und -dauern, um vorhersagen zu können, wie sich ein Hochdruck-Einblasverfahren in Gasmotoren realisieren lässt.

» Die Forschung in der FVV trägt dazu bei, das volle Treibhausgas-Minderungspotenzial von Gasmotoren zu erschließen. «
Dr.-Ing. Michael Willmann (ABB Turbo Systems)

Es ist alles andere als einfach, eine Hochdruck-Gaseinblasung für Gasmotoren zur kommerziellen Reife zu bringen

Bildquelle: B. Schneider, LAV | ETH Zürich

Geschickt kombiniert: Direkteinspritzung von Diesel und Methan

Bildquelle: FVV

Beheizte Konstantvolumenkammer mit seitlich montiertem Injektor

Bildquelle: LAV | EHT Zürich

Motivation

Mit Gas betriebene Groß- und Stationärmotoren haben das Potenzial, etwa ein Drittel weniger CO2 zu emittieren als ein Dieselmotor mit vergleichbarer Leistung. Erreicht werden kann das jedoch nur mit einem dieselähnlichen Einblas- und Verbrennungsprozess, bei dem das Gas unter hohem Druck direkt in den Brennraum eingeblasen wird. Vorteil dieser Technik ist unter anderem, dass – anders als bei der äußeren Gemischbildung – praktisch kein unverbranntes Methan entsteht, das als Treibhausgas enorm schädlich ist.

» Mit diesem Vorhaben konnten wir das wissenschaftliche Verständnis darüber vertiefen, was im Brennraum von großen Gasmotoren mit direkter Hochdruck-Gaseindüsung genau passiert. «
Prof. Dr.-Ing. Konstantinos Boulouchos (LAV | ETH Zürich)

Methodik

In einer beheizten Konstantvolumenkammer am Institut für Energietechnik der ETH Zürich lassen sich motorähnliche Bedingungen simulieren. Hier experimentierten die Forscher mit verschiedenen Einblasdrücken sowie Verdichtungsverhältnissen. Über einen optischen Zugang und mithilfe verschiedener Messverfahren ließ sich die Gasausbreitung im Brennraum beobachten. Zudem konnte die Methan-Konzentration im Gasstrahl quantitativ erfasst werden. An der Universität der Bundeswehr in München wurden vorab umfangreiche Simulationen durchgeführt zum Ablauf der Prozesse im düsennahen Bereich im Brennraum.

Ergebnis

In den Simulationen zeigte sich, dass Methan unter bestimmten Bedingungen zu Flüssigkeit kondensiert. Unter realitätsnahen Bedingungen konnten die Züricher Forscher jedoch nachweisen, dass in Motoranwendungen keine Kondensation zu erwarten ist. Zudem zeigte sich bei der Modellierung der Zündung, dass eine zusätzliche Zündquelle benötigt wird, da der Funke einer Zündkerze aufgrund der sehr hohen Gasgeschwindigkeiten nicht lange genug lebendig bleibt. Die im Forschungsprojekt gewonnenen Simulationsergebnisse dienen künftig auch dazu, die komplexen Injektoren noch besser auszulegen, um eine optimale Gaseinblasung und Zündung zu erreichen.

Dokumentation

Gas-Diesel-Brennverfahren | Vertiefung des Verständnisses zu Eindringverhalten und Zündung von Hochdruck-Gasstrahlen in Gas-Diesel-Brennverfahren | Vorhaben-Nr. 1236

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Eigenmittel

Fördersumme
347.000,00 EUR

Laufzeit
01.06.2016 bis 30.09.2019

Fördergeber