HSACI

Die homogene Kompressionszündung (Homogeneous Charge Compression Ignition – HCCI) ist ein geeignetes Brennverfahren zur Erzielung hoher Wirkungsgrade und sehr geringer NOx-Emissionen. Aufgrund der nahezu gleichzeitigen Selbstzündung des extrem mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs im HCCI-Verfahren stellen sich sehr hohe Druckgradienten und Spitzendrücke ein, die einen Betrieb oft nur im niedrigen bis mittleren Lastbereich erlauben. Die starke Zeitabhängigkeit der Selbstzündung führt ferner zu einer Limitierung des Drehzahlbereichs in Richtung höherer Drehzahlen, wodurch insgesamt nur eine vergleichsweise geringe Leistung des Motors gegenüber Fremdzündungsverfahren erzielt werden kann.

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Maßnahmen zur Erweiterung der beschriebenen Betriebsgrenzen des HCCI-Verfahrens für einen Einzylinder-Erdgas-BHKW-Motor. Mit Hilfe der zu entwickelten Maßnahmen soll ein monovalenter Betrieb des Motors mit Kompressionszündung ermöglicht und der Vorteil eines hohen Wirkungsgrads bei niedrigen NOx-Emissionen in einem erweiterten Betriebsspektrum genutzt werden. Die Grundlage zur Erweiterung des HCCI-Verfahrens stellt eine geregelte heiße Oberfläche dar, die in einem vorherigen Projekt zur Entwicklung eines Brennverfahrens mit Oberflächenzündung verwendet wurde (HSI). Ausgehend von einer lokalen Oberflächenzündung soll das unverbrannte Gemisch durch die kombinierte Kompression aus Kolbenbewegung und anfänglicher Flammenausbreitung zur Kompressionszündung gebracht werden. Das resultierende Brennverfahren stellt eine Kombination aus „Hot Surface Ignition – HSI“ und „Homogeneous Charge Compression Ignition – HCCI“ dar und wird in diesem Kontext als „Hot Surface Assisted Compression Ignition – HSACI“ bezeichnet (s. Abbildung 1). Vor dem Hintergrund zukünftiger Power-to-Gas-Technologien werden ferner erhöhte Wasserstoff-Anteile im Brenngas-Luft-Gemisch hinsichtlich des Einflusses auf die (unterstützte) Kompressionszündung untersucht.

Im Rahmen des Projekts wird das HSACI-Verfahren sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen kommt der innerhalb des HCCI-Projekts aufgebaute Prüfstand sowie das im HSI-Projekt  entwickelte Zündelement zum Einsatz. Die numerischen Untersuchungen umfassen 0D-Grundlagenuntersuchungen (Cantera, AVL Fire), 1D-Motorprozesssimulationen (AVL Boost) und 3D-Verbrennungssimulationen (AVL Fire AVL-Link). In allen Fällen kommen chemische Reaktionsmechanismen zur Beschreibung der Verbrennung zum Einsatz.

Für Studierenden besteht dauerhaft die Möglichkeit, als wissenschaftliche Hilfskraft (Hiwi) oder im Rahmen von Projekt- (PA, F&E) und Abschlussarbeiten (Bachelor, Master) sich am Prüfstand oder in Simulationsprojekten mitzuarbeiten. Offene Themen finden sich unter studentische Forschung oder durch direkten Kontakt mit dem zuständigen Mitarbeiter.

• [1] Judith J, Holzberger S, Kettner M, Koch T: Assessment of Solver Setup, Mesh Quality and Time-Step for Simulation of Auto-Ignition and Flame Propagation within a Homogeneous Pre-Mixed Variable Volume Combustion Reactor Using 3D-CFD and Detailed Chemical Kinetics. AVL International Simulation Conference (Graz, Austria, 22.-23.10.2019)