Miller-Lambda-1
Stöchiometrisches Brennverfahren mit erweiterter Expansion
Im GenLab wurde in Kooperation mit der SenerTec GmbH ein stöchiometrisches Brennverfahren mit erweiterter Expansion über den Ventiltrieb entwickelt. Der Anwendungsbereich fokussiert sich auf gasbetriebene Blockheizkraftwerke des kleinen Leistungsbereichs. Das Ziel bestand in der Verbesserung des Zielkonflikts zwischen Wirkungsgrad und NOx-Emissionen, sodass zukünftige Emissionsgrenzwerte bei gleichzeitig hoher Anlagenwirtschaftlichkeit erfüllt werden können.
Unter Variation verschiedener Betriebsgrößen wurde im ersten Schritt eine umfangreiche Vermessung des Versuchsträgers im stöchiometrischen Betrieb und mit Drei-Wege-Katalysator durchgeführt, mit dem Ziel das Motor- und Emissionsverhalten mit geänderter Gemischstrategie zu bewerten können. Für die weiteren Untersuchungen konnte bereits auf dieser Basis das angestrebte effektive Verdichtungsverhältnis sowie die Zieldrehzahl festgelegt werden. Ferner wurde ersichtlich, dass bei ausreichender Abgastemperatur und Güte der Gemischregelung eine nahezu vollständige Konvertierung der Emissionen erreicht werden kann. Mit Hilfe der gewonnenen Datenbasis wurde im nächsten Schritt ein vorhandenes 1D-Motorprozesssimulationsmodell des Serien-Magermotors auf den stöchiometrischen Betrieb abgestimmt. Im Anschluss wurde eine numerische Studie unter Va-riation von Saugrohrlänge und Einlassventilschließen zur Optimierung der Gasdynamik und zur Bestimmung wirkungsgradsteigernder Steuerzeiten durchgeführt. Insgesamt wurden eine Referenzkonfiguration, die einer konventionellen Otto-Steuerzeit entspricht, sowie zwei Miller-Konfigurationen ermittelt. Die bestimmten Steuerzeiten wurden anschließend in ein vorhandenes Mehrköpersimulationsmodell des einlassseitigen Ventiltriebs übertragen, die mechanische Belastung überprüft und die erforderlichen Schleifkoordinaten zur Fertigung der Nockenprofile abgeleitet.
Im letzten Schritt wurden die ausgelegten Konfigurationen experimentell untersucht und die zielführende Variante bestimmt. Die angestrebte Leistung des Serienmotors konnte im klopffreien Betrieb mit moderaten AGR-Raten <10 % und wirkungsgradoptimalen Schwerpunktlagen für alle Konfigurationen eingestellt werden. Der höchste Wirkungsgrad konnte mit der spätesten Miller-Steuerzeit und dem höchsten geometrischen Verdichtungsverhältnis erreicht werden. Insgesamt konnte im durchgeführten Vorhaben ein Brennverfahren entwickelt werden, dass die Grundlage für eine nachfolgende Serienentwicklung bildet und die Einhaltung zukünftiger NOx-Grenzwerte bei gleichzeitiger Effizienzsteigerung und moderater Anlagen-komplexität ermöglicht.
Aktuelle Informationen zum Projekt
Das Projekt wurde 2018 abgeschlossen.
Verwandte Publikationen
- Judith J, Neher D, Kettner M, Klaissle M, Schwarz D: High Efficiency by Miller Valve Timing and Stoichiometric Combustion for a Naturally Aspirated Single Cylinder Gas Engine. In: 25th Small Engine Technology Conference 2019. 25th Small Engine Technology Conference 2019 (SETC 2019) (Hiroshima, Japan, 19.-21.11.2019), Society of Automotive Engineers Japan 2019 (JSAE Paper 20199588), 17 S. (Elektronische Veröffentlichung: https://saemobilus.sae.org/content/2019-32-0588/)
- Judith J, Neher D, Kettner M, Klaissle M, Schwarz D: Simulationsgestützte Entwicklung eines stöchiometrischen Brennverfahrens mit Miller-Steuerzeiten für einen gemischansaugenden Einzylinder-Erdgasmotor. In: WTZ Roßlau (Hrsg.): 11. Dessauer Gasmotorenkonferenz. 11. Dessauer Gasmotorenkonferenz (Dessau, 11.-12.04.2019), Dessau: WTZ Roßlau 2019, 16 S.
- Judith J, Neher D, Kettner M: Entwicklung und Untersuchung eines Brennverfahrens mit erweiterter Expansion über den Ventiltrieb für stationäre Gasmotoren. [2019 erschienen] Aufl., Osnabrück: DBU 2019, 41 S. (Elektronische Veröffentlichung: https://www.dbu.de/OPAC/ab/DBU-Abschlussbericht-AZ-32875_01-Hauptbericht_neu.pdf)
Projektpartner
Förderung
Zeitraum der Förderung
08.2016 – 07.2018