GIHPCO: Zündverfahren für die nicht vorgemischte Verbrennung von unter hohem Druck direkt eingespritztem Gas in Motoren für schwere Nutzfahrzeuge, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Abbildung 1: Links: Konzept des "Flex-OeCoS"-Prüfstands. Rechts: CAD-Zeichnung des optisch zugänglichen Zylinderkopfes mit dem von oben montierten Hochdruck-Gasinjektor.

Abbildung 2: Links: Optische Anordnung für die gleichzeitige Aufnahme von Schlierenbildern und OH*-Chemilumineszenzbildern. Rechts: Beispiel eines überlagerten Schlieren- (schwarz-weiss) und OH*-Chemilumineszenzbildes (brennende Zone in magenta) für eine Glühkerzenzündung mit einer Zweiloch-Gasdüse.

Werden Gasmotoren im (technisch einfacheren) vorgemischten Modus betrieben, so begrenzen Frühzündungen (Klopfen) infolge hoher Zylinderdrücke und -temperaturen die erreichbare Motorleistung und den Wirkungsgrad. Zudem führt unverbranntes Methan aus wandnahen Zonen und Brennraumspalten zu (stark treibhausgaswirksamen) Methanemissionen (Methanschlupf). Diese Nachteile entfallen, wenn das Gas erst vor dem Brennbeginn mit hohem Druck in den Zylinder eingespritzt und dann im Diffusions-Brennverfahren (ähnlich wie bei Dieselmotoren) verbrannt wird. Im Gegensatz zu Dieselmotoren erfordern die schlechten Zündeigenschaften von Methan aber eine Zündhilfe. Dazu wird bislang meistens eine Piloteinspritzung eingesetzt, d.h. eine kleine Menge flüssigen Kraftstoffs (häufig Diesel) wird eingespritzt, der sich schnell entzündet und dann die gleichzeitig oder kurz darauf eingespritzten Hochdruck-Gasstrahlen entzündet. Nachteil dieses Dual-Fuel Konzepts ist, dass auch für den flüssigen Pilot-Kraftstoff die gesamte Infrastruktur von Tank / Pumpe / Einspritzdüsen vorhanden sein muss, zudem reduziert der in der Regel nicht kohlenstofffreie Pilot-Kraftstoff das CO₂-Einsparpotential des Gasbetriebes. In diesem Projekt werden daher auch andere Konzepte wie die Zündung an heissen Oberflächen (Glühkerzen), Zündstrahlen aus Vorkammern, oder die Verbesserung der Selbstzündungseigenschaften des eingespritzten Gases selber durch Additive erforscht. Diese verschiedenen Zündverfahren werden am «Flex-OeCoS» Prüfstand des ITFE untersucht (Abbildung 1), der trotz hervorragendem optischen Zugang die Untersuchung solcher Prozesse unter motorisch relevanten Bedingungen ermöglicht. Mit Hochgeschwindigkeitskameras werden einerseits Schlierenbilder aufgenommen die Dichte- und Temperaturgradienten zeigen, und andererseits OH*-Chemilumineszenzbilder die die Flammfront/Flamme zeigen. Abbildung 2 zeigt links den Messaufbau und rechts ein entsprechendes schwarz-weisses Schlierenbild mit überlagerter OH*-Chemilumineszenz in magenta.

Im Diffusions-Brennverfahren betriebene Verbrennungsmotoren mit Hochdruck-Gaseinspritzung ermöglichen höhere Leistungen und Wirkungsgrade bei gleichzeitig reduzierten Methanemissionen (aus wandnahen Schichten und Brennraumspalten) als homogen vorgemischt betriebene Gasmotoren. Da sich Gas (Methan) im Gegensatz zu Diesel bei motorischen Kompressions-Endtemperaturen nicht schnell genug von selbst entzündet, sind dafür aber Zündhilfen erforderlich. In diesem Projekt werden geeignete Zündverfahren auf Basis verschiedenartiger Zündhilfen in der gesamten Bandbreite von grundlegenden Untersuchungen («proof of concept») bis zur Validierung von Pilotsystemen untersucht.

Die verschiedenen untersuchten Zündverfahren wie Diesel-Piloteinspritzung, aktive Vorkammern (Zündstrahlverfahren) und Glühkerzen (heisse Oberflächen) haben sich alle als effektive Methoden erwiesen, um eine zuverlässige Zündung über einen weiten Bereich von Randbedingungen zu erreichen. Als effizienteste Zündhilfe hinsichtlich einer präzisen Kontrolle des Zündzeitpunkts und vollständigen Verbrennung des eingespritzten Gases hat sich das Zündverfahren mit einer Glühkerze für jeden Gasstrahl erwiesen. Können jedoch nicht alle Gasstrahlen mit einer separaten Glühkerze gezündet werden, so muss die Flamme von einem Gasstrahl zum nächsten wandern, was je nach Anzahl und Anordnung der Gasstrahlen eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und bei sehr kurzen Gaseinspritzzeiten (im Teillastbereich) sogar zu einer unvollständige Verbrennung führen kann. Die Erkenntnisse aus den Experimenten im Flex-OeCoS Prüfstand werden nun auf reale Versuchsmotoren übertragen, um das Verfahren der Hochdruck-Gaseinspritzung mit Diffusionsverbrennung als Grundlage für effizientere und umweltfreundlichere Gasmotoren weiterzuentwickeln.