HCCI

Im Fokus des Forschungsvorhabens steht die Entwicklung eines homogen kompressionsgezündeten Brennverfahrens (Homogeneous Charge Compression Ignition – HCCI) für ein monovalent betriebenes Erdgas-Klein-BHKW. Durch die nahezu gleichzeitige Selbstzündung des gesamten, extrem mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs im HCCI-Verfahren wird eine Annäherung an den thermodynamisch wirkungsgradoptimalen Gleichraumprozess bei paralleler Absenkung der Verbrennungstemperatur erreicht. Ausgehend von der Flammenfrontverbrennung des Serienbrennverfahrens wird die „kontrollierte Selbstzündung“ zunächst mittels Ansaugtemperaturerhöhung und stark erhöhter Verdichtung realisiert und das Betriebsverhalten des Motors im HCCI-Verfahren bestimmt. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Zusammenhänge zwischen NOx-Emissionen und Wirkungsgrad. Aufgrund der extrem hohen Druckgradienten bei HCCI-Verbrennungen und der stark zeitabhängigen Selbstzündung liegt darüber hinaus ein besonderes Augenmerk auf dem erreichbaren Last- und Drehzahlbereich. Auf Grundlage der gewonnenen Ergebnisse werden Maßnahmen zur Entschärfung des Zielkonflikts zwischen NOx-Emissionen und Wirkungsgrad sowie zur Erweiterung der Betriebsgrenzen entwickelt (s. auch HSACI).

Innerhalb des beschriebenen Projekts wurde ein vollindizierter Einzylinder-Forschungsprüfstand auf Basis eines Serien-BHKW-Motors aufgebaut und für den HCCI-Betrieb umgerüstet. Wesentliche Änderungen umfassen:

• Verdichtungserhöhung von 13,2 auf 21,5
• Einbindung einer drehzahlvariablen Motorbremse (4Q)
• Integration eines 11 kW Ansauglufterhitzers
• Entwicklung einer Nockenwelle zum Betrieb mit Abgasrückhaltung
• Weitere Details: Prüfstand

Die Auslegung von Verdichtungsverhältnis, Drehzahl und AGR-Nockenwelle erfolgten mit Hilfe komplementärer Simulationswerkzeuge. Der Einfluss der vorgesehenen Einzelmaßnahmen auf die Selbstzündungsneigung wurde mittels 1D-Motorprozesssimulation (AVL Boost) sowie einem Sechs-Zonen-Verbrennungsmodell und chemischer Reaktionskinetik voll-faktoriell untersucht. Daraufhin wurde ein zielführendes Verdichtungsverhältnis von 21,5:1 durch Modifikation der Kolbenmulde umgesetzt. Die Realisierung der angestrebten Steuerzeiten (Einlass, Auslass) erfolgte durch die Bestimmung der Schleifkoordinaten mittels Mehrkörpersimulation (AVL Excite).

Der entwickelte Prüfstand wird fortlaufend zur Untersuchung des HCCI-Verfahrens sowie alternativer Verfahren auf Basis der Kompressionszündung genutzt.

• Judith J, Neher D, Kettner M, Klaissle M, Kozarac D: Numerical Investigations of the Auto-Ignition Ranges of a Natural Gas Fueled HCCI Engine. In: SAE Technical Papers, ISSN 0148-7191 (2017), 14 S. (Elektronische Veröffentlichung: http://papers.sae.org/2017-32-0073/)