Wie man einen modernen (fast) kohlenstoffdioxydfreien Verbrennungsmotor entwickelt

Die aktuellen und zukünftigen Grenzwerte und der extreme Bedarf zur Dekarbonisierung des Energiesystems bestimmen die aktuelle Entwicklung von zukünftigen Verbrennungsmotoren. Diese müssen die Fähigkeit haben, mit erneuerbaren Kraftstoffen betrieben zu werden.

Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendung eines eigens entwickelten Modells, das in einen kommerziellen CFD Code implementiert wurde. Damit können die Zündung und die Verbrennung für Zündstrahl «dual fuel» Verbrennungsmotoren modelliert werden.

Vorhandene Daten aus einem optisch zugänglichen Versuchsträger erlauben den Vergleich der Simulationsergebnisse für Gemischbildung, Zündung und Verbrennung für motorische relevante Bedingungen und damit eine saubere Validierung.

Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich der PIV Bilder(oben) und der Simulationsergebnisse (unten) für das k-ε RNG Turbulenzmodell von -10° Kurbelwinkel und -2° Kurbelwinkel.

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Nachdem das Strömungsfeld erfolgreich validiert werden konnte, wurde die n-Dodekan Pilot-Einspritzung validiert. Auch hier waren optische Daten verfügbar, wobei die selben Betriebsbedingungen wie für den Dual-Fuel Betrieb vorhanden waren (ohne den primären gasförmigen Kraftstoff).

Das folgende Bild zeigt die Penetrationslänge des Pilot-Sprays für die CFD Simulation und für Schlieren Bilder (links) sowie die Verbesserung der Voraussage der Penetrationslänge mit optimierten Modellparametern (rechts).

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Zündstrahl für Methan-Luft Gemisch – die Modellentwicklung von combustion and flow solutions

Aufgrund der limitierten Verfügbarkeit von validierten detaillierten Reaktionsmechanismen für zukünftige Kraftstoffe wurde eine Entkopplung von Pilot Kraftstoffzündung und Hauptverbrennung gewählt.

Im entwickelten Modell wurde die Selbstzündung des Pilotsprays mittels Zündintegral für eine Fortschrittsvariable Yl beschrieben. Diese Fortschrittsvariable ist proportional zu einem transportierten Kraftstoff-Tracer YF, der die Menge an Frischgemisch beschreibt, welche in einer Rechenzelle vorhanden ist, wenn keine chemischen Reaktionen vorhanden sind.

Die Zündung in einer Rechenzelle wird erreicht, wenn Yl>YF ist, worauf eine volumetrische Wärmequelle implementiert wurde, damit die Wärmefreisetzung vom gezündeten Pilot-Kraftstoff simuliert werden konnte.

Sobald eine Pilot-Zündung in einer Zelle detektiert wird, löst die angewendete Wärmequelle die vorgemischte Verbrennung des Primärkraftstoffes aus, die mittels ECFM-CLEH Modell mit tabulierter Kinetik modelliert wurde. Deshalb ist es notwendig, gute Tabellen für die TKI-Zündung (Tabulated Kinetics for Ignition) zu erstellen und gleichzeitig Tabellen für die laminare Flammgeschwindigkeit und die Gleichgewichtskomponenten für den Primärkraftstoff bereitzustellen.

Eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Versuch konnte für die Anwendung der Pilot-Zündung von Erdgas mittels mikro n-Dodekan Spray dargestellt werden.

Die folgende Abbildung zeigt die Überlagerung des OH Chemilumineszenz-Signals (magenta) mit den Schlieren Bildern für die dual fuel Verbrennung für einen n-Dodekan Pilot und einem Methangrundgemisch für den Versuch (oben) und die CFD Simulationen (unten).

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Des Weiteren konnte die Funktionsweise für eine Zündstrahl Verbrennung von Ammoniak demonstriert werden, um die Flexibilität des entwickelten Modells bezüglich Kraftstoff, Einspritzung und Betriebsparameter für die Anwendung in Verbrennungsmotoren darzustellen.

Der Vergleich der Brennrate und des Druckverlaufs ist in der folgenden Abbildung dargestellt. 

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Danksagung

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes namens CREDO (Carbon REduced Dual-fuel cOmbustion) mit finanzieller Unterstützung des Schweizerischen Bundesamtes für Energie (BFE) und WinGD durchgeführt. Wir bedanken uns zudem bei Jan Hegi (zu dieser Zeit Masterstudent bei combustion and flow solutions GmbH) und unserem Projektpartner der Fachhochschule Nordwestschweiz – Institut für Energie und Fluid Engineering, der alle Versuche durchgeführt und die Daten zur Verfügung gestellt hat.

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Bitte zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, falls Sie Fragen oder Anregungen haben. Das Projekt wurde am 23. Internationalen Stuttgarter Symposium im Juli 2023 präsentiert und in der "MTZextra: Prüfstände und Simulation für Antriebe" vom 15. Dezember 2023 veröffentlicht.

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