Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Tiefgehende Erforschung der RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) in den Bereichen der Reaktionskinetik, Einspritzung und Verbrennung durch Entwicklung von Modellen und deren Validierung an Prüfständen

Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen wie NOx und Ruß gleichzeitig zu minimieren, ist das Hauptziel moderner Motorenentwicklung. Hierbei sind Konzepte der Niedertemperaturverbrennung (LTC) denkbare und vielversprechende Ansätze, um den gerade beschriebenen Konflikt zu lösen.

Dual Fuel, Erdgas-Diesel in der Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) ist ein hocheffizientes Verbrennungskonzept, welches Euro-VI NOx- und Partikel-Rohemissionen ermöglicht. Im Vergleich zu Erdgas und Einstoff Dieselbrennverfahren treten außerdem um 25% geringere CO2 Emissionen auf. RCCI zeigt im Vergleich zu anderen LTC Konzepten eine hervorragende Kontrollierbarkeit und einen breiten Lastbereich.

Für Erdgas-Diesel RCCI Verfahren wird derzeit eine Erdgas Saugrohreinspritzung verwendet. In diesem Projekt werden neuartige Technologien der Erdgas-Direkteinspritzung zur Verminderung der im Brennraum entstehenden CH4 Emissionen und der Maximierung des thermischen Wirkungsgrads untersucht. Eine experimentelle und simulative Durchführung erlaubt die zu Verfügung stehende Zeit und Ressourcen maximal auszuschöpfen. Einspritzungsuntersuchungen in der Hochdruckkammer und Experimente für Reaktionskinetik im Hochdruckstoßrohr werden mit computergestützten Strömungsberechnungen (CFD) kombiniert. Mit diesen Ergebnisse werden aussichtsreiche Konfigurationen für einen Einzylinder-Forschungsmotor ausgewählt und aufgebaut.

Außerdem dienen die gewonnenen Daten als Referenz für die Aktualisierung und Validierung von Motormodellen. Diese Modelle werden in einer RCCI Steuerung genutzt, welche für die nachfolgende Entwicklung an einem Demonstrationsmotor entscheidend ist. Das Projekt liefert grundlegendes Verständnis des RCCI und praktisches Wissen der Dual-DI Erdgas-Einspritzung und der erforderlichen Motorkomponenten für zukünftige Projekte. Dieses Wissen kann von SMEs und OEMs für Entwicklungen im Nutzfahrzeug- und Energiegewinnungssektor genutzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Am ITV/PCFC wurden zunächst die Zündverzugszeiten von Dieselsurrogat sowie dessen Blends mit Methan und Ethanol über einen weiten Bereich an Temperaturen, Drücken, Verbrennungsluftverhältnissen und Verdünnungsanteilen experimentell im Stoßrohr und Einhubtriebwerk untersucht. Der so erzielte umfangreiche Datensatz diente daraufhin zur Validerung eines Reaktionsmechanismus. Anschließend wurde der entwickelte detaillierte Mechanismus weiter reduziert. Die resultierenden reduzierten Mechanismen für Diesel/Ethanol- und Diesel/Methan-Mischungen erlauben hochgenaue 3D-CFD-Simulationen der Verbrennung mit detaillierter Chemie durchzuführen, was von hoher Bedeutung ist.

Die Forschungsarbeit am VKA umfasst experimentelle und numerische Untersuchungen der Gemischbildung und des Verbrennungsverhaltens für den RCCI-Betrieb, die in einer Hochdruckkammer und einem thermodynamischen Einzylinder-Forschungsmotor durchgeführt wurden.

Die wissenschaftlichen Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Die RCCI-Verbrennung in der optischen Hochdruckkammer wurde für Diesel- und Ethanol erfolgreich durchgeführt. Die optische Studie zeigt, dass die RCCI-Verbrennung sehr sensibel auf Änderungen der Kammertemperatur reagiert und bereits eine kleine Temperaturänderung dazu führt, dass sich die Zündverzüge ändern. Für das kalibrierte Einspritzmodell stimmt die Eindringtiefe aus der Simulation gut mit dem Experiment sowohl für Ethanol als auch für Dieselkraftstoff überein. Der simulierte Druckverlauf zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Das Simulationsmodell ist auch in der Lage, die NOX- und CH4-Emission sehr gut vorherzusagen.

Am IFKM wurden an einem EZ-Versuchsmotor grundlegende Parameterstudien durchgeführt, um die wesentlichen Verbrennungseigenschaften und Einflussgrößen auf eine Dual-Fual-RCCI-Verbrennung zu identifizieren. Die gewonnenen Daten dienten ebenfalls als Validierungsbasis für eine umfangreiche Prozesssimulation in den weiteren Arbeitspaketen.