LiquidEGR

Die meisten BHKW Erdgasmotoren werden magerbetrieben. Das Magerbetriebverfahren zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine kalte Verbrennung, die die Einhaltung der NOx Emissionen ermöglicht. Aufgrund der zunehmenden Zahl der BHKWs in Deutschland sind strengere NOx-Emissionsgrenzwerte erwartet. Das Anstreben der neuen NOx-Grenzwerte durch eine weitere Abmagerung des Gemischs könnte möglich sein. Das führt aber sicherlich zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads (roter Bereich im Diagramm, Abbildung 1).

Als Alternative kann hierbei die Wassereinspritzung eingesetzt werden. Ein effizientes Wassereinspritzungssystem ermöglicht eine effektive Kühlung des angesaugten Gemischs ohne Beeinträchtigung des motorischen Wirkungsgrads. Dafür sind zwei Kriterien zu erfüllen: Möglichst hohe Zerstäubung des eingespritzten Wassers und eine minimale Wasser-Wandbenetzung. Aufgrund der Gemischkühlung kann das geometrische Verdichtungsverhältnis ohne Erreichen der Klopfgrenze erhöht werden. Das führt dazu, den thermischen Wirkungsgrad des Motors weiter zu steigern. Das benötigte Wasser zur Abkühlung des Gemischs wird durch einen externen Wärmetauscher aus dem Abgas des Motors zurückgewonnen.

Das Projekt umfasste drei Hauptphasen:

Bei der ersten Phase wurde das System der Kondenswasser-Rückführung untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt auf die zu verwendenden Einspritzdüsen, Hochdruckeinspritzsystem (für hohe Zerstäubung) und den externen Wärmetauscher der Firma Bomat zur Gewinnung des Kondenswassers aus dem Abgas des Motors. 

Die zweite Projektphase befasste sich mit der Saugrohrwassereinspritzung sowohl experimentell als auch numerisch (3D-CFD-Simulation in AVL FIRE). Bei den experimentellen Untersuchungen wurden Variationen zum Einspritzzeitpunkt, eingespritzten Wassermenge, Verbrennungsschwerpunktlage und Verdichtungsverhältnis durchgeführt und deren Einfluss auf die Entschärfung des Zielkonflikts zwischen Motorleistung, Wirkungsgrad und NOx-Emissionen ausgewertet. Die 3D-CFD-Simulationen ermöglichten ein besseres Verständnis für die Interaktion des Einspritzvorgangs mit der Strömung, Wandfilmbildung, Verdampfung und Verbrennung.

In der letzten Projektphase wurde das System der Direktwassereinspritzung ebenfalls experimentell am Motorprüfstand sowie numerisch in 3D-CFD untersucht. Für die Durchführung der motorischen Versuche wurde der Motorzylinderkopf bearbeitet. Somit können weitere Forschungsthemen zur Benzin- bzw. regenerativen Kraftstoffen-Direkteinspritzung am Motor-Prüfstand untersucht werden. Bei der Direkteinspritzung sind im Vergleich zur Saugrohreinspritzung größere Variationsbereiche des Einspritzzeitpunkts und der Einspritzdruckdifferenz möglich.

Die gewonnenen Kompetenzen und Erkenntnisse im Bereich der Wassereinspritzung und Wasser-Rückgewinnung aus dem Abgas werden bei laufenden und zukünftigen Forschungsvorhaben (LeanStoicH2, EGRreact) weiter hin verwendet und weiterentwickelt. 

• Beltaifa Y, Judith J, Kettner M, Eilts P, Klaissle M, Wiersbitzki V: Intake Port Condensed Water Injection for a Clean Natural Gas Engine : Strategies and Restrictions. In: Bargende M, Reuss HC, Wagner A (Hrsg.): 20. Internationales Stuttgarter Symposium 2020 : Automobil- und Motorentechnik. 20. Internationales Stuttgarter Symposium 2020 (Stuttgart Vieweg, 17.-18.03.2020), Wiesbaden: Springer 2020 (Proceedings), S. 499-518.- ISBN 978-3-658-29942-2 (Elektronische Veröffentlichung: dx.doi.org/10.1007/978-3-658-29943-9_38)
• Beltaifa Y, Judith J, Kettner M, Eilts P, Klaissle M, Wiersbitzki V: Intake Port Condensed Water Injection for a Clean Natural Gas Engine : Strategies and Restrictions. In: Bargende M, Reuss HC, Wagner A (Hrsg.): 20. Internationales Stuttgarter Symposium 2020 : Automobil- und Motorentechnik. 20. Internationales Stuttgarter Symposium 2020 (Stuttgart Vieweg, 17.-18.03.2020), Wiesbaden: Springer 2020 (Proceedings), S. 499-518.- ISBN 978-3-658-29942-2 (Elektronische Veröffentlichung: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-658-29943-9_38)
• Beltaifa Y, Kettner M, Eilts P, Klaissle M: Impact of Intake Port Water Injection Timing on Mitigating the Tradeoff between Performance and NOx Emissions for a Naturally Aspired Micro-CHP-Engine. In: SAE Technical Papers, ISSN 0148-7191 (2020), 14 S. (Elektronische Veröffentlichung: https://saemobilus.sae.org/content/2019-32-0576/)