Gasmotorentechnik - Methoden und Ausstattung
Simulationsmethoden im GenLab
In nahezu allen Forschungsprojekten des Gas Engine Laboratory findet eine enge Verzahnung von Experiment und Simulation statt. Auf Basis umfangreicher Messdaten werden virtuelle Abbilder – „digitale Zwillinge“ – der realen Versuchsträger in verschiedenen Modellierungsstufen erstellt und zur Bearbeitung wissenschaftlicher Fragestellung verwendet. Beginnend bei Grundlagensimulationen zu Zündverzugszeiten und Flammengeschwindigkeiten mit Hilfe von 0D-Simulation, findet eine Steigerung des Detaillierungsgrades über 1D-Motorprozessmodelle bis hin zur gekoppelten 3D-Simulation von Brennraumströmung, Verbrennung (3D-CFD) und Wärmeleitung in (bewegten) Brennraumkomponenten (FEM) statt (à Conjugate Heat Transfer – CHT). Ergänzend zur 1D-Motorprozessimulation finden Mehrkörpersimulationsmodelle (MKS) des Ventiltriebs Verwendung, die Aussagen bzgl. der mechanischen Belastung von Ventiltriebkomponeten erlauben und zur Bestimmung von Schleifkoordinaten für die Fertigung von optimierten Nockenprofilen eingesetzt werden. Durch die detaillierte Abstimmung der Simulationsmodelle können „generalisierende“ Modelle erzeugt werden, die das reale Motorverhalten wiedergeben und prognostizieren können. Umfangreiche Parameterstudien können somit mit virtuellen Prototypen kosten- und zeiteffizient durchgeführt. Zielführende Konfigurationen können anhand der Simulationsdaten bestimmt und mit einer minimalen Anzahl realer Prototypen am Prüfstand validiert werden. Ferner erlauben detailliert abgestimmte Simulationsmodelle Analysen zu nur sehr schwer bis hin zu nicht messbaren physikalischen Phänomenen.
Simulationsprogramme im GenLab: AVL Simulation Tools
Höhen- und Klima-Simulationskammer für den Einsatz von Kleinmotoren und Motorgeräten mit alternativen Kraftstoffen
Schwerpunkt für den Einsatz der Umweltsimulationskammer ist die Entwicklung maßgeschneiderter Biobenzine speziell für den Einsatz in Kleinmotoren, z.B. in handgehaltenen Geräten. Anders als bei aktuell verfügbaren Gerätebenzinen, die ausschließlich auf fossilen Rohstoffen basieren, soll das Bio-Gerätebenzin bis zu 100% auf der Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden. Vor einer Markeinführung des neuen Biokraftstoffs, gilt es diesen auf seine ökologische, ökonomische und motorische Eignung hin zu untersuchen und zu bewerten.
Hierbei ist insbesondere auf die Eignung für die bei handgehaltenen Geräten üblichen Klimabedingungen (z.B. Holzernte im Winter) und Einsatz in großen Höhen (z.B. Arbeiten in den Bergen) zu prüfen. Um weltweit anwenderrelevante Umgebungsbedingungen (versch. Klimazonen und geodätische Höhen) zu realisieren, wird für dieses Forschungsvorhaben eigens ein Motorenprüfstand mit Klima-/Höhenkammer entwickelt in der Temperatur, Druck und Luftfeuchte konditioniert werden können. Sie ermöglicht dadurch die Durchführung von Motorversuchen bei Bedingungen arktischer Kälte bis hin zu tropischer Hitze. Auch die Simulation verschiedener Höhenlagen (von 0 m bis 3000 m ü.NN) ist in der 6 m³ großen Prüfzelle, wie sie in den folgenden Abbildungen als CAD Modell gezeigt wird, möglich.
Ziel ist es, Emissionsuntersuchungen beim Einsatz der entwickelten Kraftstoffformulierungen in Kleinmotoren durchzuführen und technologische Innovationspotenziale, wie etwa eine Reduktion der Emissionen, herauszuarbeiten, die sich z.B. durch eine Erweiterung der Brenngrenzen oder höhere Klopffestigkeit sowie geringere Selbstentflammungsneigung ergeben.
Motorprüfstände
Vierzylinder-HMG-4900 ccm - Motorenprüfstand
Der Versuchsträger ist ein Gemisch ansaugender homogen magerbetriebener Vierzylinder-Otto-Gasmotor HMG 434 S 132A der Firma WJ Power, der in BHKW der Leistungsklasse 35 kWel Verwendung findet. Der Gasmotor wird von einem ursprünglich als Dieselaggregat entwickelten Grundmotor der Fa. Sisu abgeleitet, der überwiegend in Nutzfahrzeugen eingesetzt wird. Um bei magerer Betriebsweise die Verbrennung zu beschleunigen und deren zyklische Schwankungen zu verringern, wird die Zündung über eine (ungespülte) Vorkammerzündkerze eingeleitet. In der Serienkonfiguration beträgt das Verdichtungsverhältnis e = 13,3 bei einem Hubraum von 1,2 l/Zylinder. Der Motor wird im 50 Hz-Netz mit einer konstanten Drehzahl von 1500 1/min betrieben.
In einem abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde der Versuchsträger mit einem Abgasrückführsystem ausgerüstet, das durch eine Konditionierung die Vorgabe der Temperatur des rückgeführten Abgases ermöglicht. Die technischen Daten des Versuchsträgers sowie ein Schema des Gaspfads sind Abbildung 4 zu entnehmen.
Einzylinder HCCI-Gasmotorenprüfstand
Im Rahmen des HCCI-Projekts wurde ein mit umfangreicher Messtechnik ausgestatteter Einzylinder Forschungsprüfstand auf Basis eines Erdgas-Klein-BHKW zur Untersuchung verschiedener Brennverfahren und Kraftstoffe aufgebaut. Mit Hilfe des Prüfstands können sowohl alternative Brennverfahren (HSACI, HSASI, HCCI) als auch alternative Kraftstoffe (flüssig, gasförmig) in einem breiten Betriebsspektrum untersucht werden. Für den Prüfstand stehen unterschiedliche (Anbau-) Komponenten zur Verfügung, die je nach Bedarf der aktuellen Projekte zu unterschiedlichen Aufbaustufen des Prüfstands kombiniert werden können. Vor dem Hintergrund von Power-to-Gas-Technologien und dem Betrieb mit erhöhten Wasserstoffanteilen im Brenngas wurde ein zusätzliches Absaugsystem für wasserstoffführende Komponenten aufgebaut. Insbesondere die umfangreiche Indizier-messtechnik erlaubt die Erhebung einer umfangreicher Datenbasis, die neben der Analyse physikalischer Zusammenhänge zur Abstimmung detaillierter Simulationsmodelle verwendet wird. Der Prüfstandsaufbau auf Basis eines Serienmotors nach aktuellem Stand der Technik sowie der Einsatz von Prototypenbauteilen auf Basis von seriennahen Komponenten ermöglichen einen vereinfachten Transfer der Forschungs-ergebnisse auf praktische Anwendungen.
Übersicht
- Frei programmierbare Steuereinheit zur Datenerfassung und Prüfstandssteuerung
- Drehzahl- und Lastregelung (Gefeuert, geschleppt)
- Ansaugluftkonditionierung (Temperatur bis 200 °C, Druck)
- Kühlwasserkonditionierung
- Externe, interne Abgasrückführung
Messtechnik
- Zeitaufgelöste Erfassung von Fluidtemperaturen und -drücken
- Zylinderdruckindizierung
- Niederdruckindizierung (Einlass, Auslass)
- Indizierung des Luftmassenstroms
- Gaschromatographie zur Bestimmung der Erdgasbestandteile bis C6
- Abgasanalyse (HC, CO, NO, NO2)
Zündsysteme
- Hakenzündkerze
- Vorkammerzündkerze
- Glühstiftzündung
- Gebaute Zündsysteme, z.B. LINK HSASI
Gemischbildung und Kraftstoffe
- Ansaugseitige Wasserstoffeinblasung mittels Elektrolyseur ohne Zwischenspeicherung (“Echtzeit”-Elektrolyse)
- Flüssigkraftstoff- und Wassereinspritzung (Saugrohr)
- Erdgas
Wassereinspritzung - BHKW-Prüfstandsmotor
Bei dem BHKW-Prüfstandsmotor handelt es sich um ein Aggregat auf Basis des SenerTec Dachs 5.5 Generation 1.1, das für die Wassereinspritzung-Untersuchungen modifiziert wurde und in einigen Punkten nicht dem aktuellen Serienmotor entspricht (obere Abbildung: Konfigurationen der Wassereinspritzung an GenLab).
Der Einzylinder-Saugmotor arbeitet permanent ungedrosselt bei einer konstanten Motordrehzahl von n = 2450 U/min und erzeugt in seinem Serienbetrieb 5,5 kW elektrische Leistung (entspricht IMEP = 6,34 - 6,35 bar). Bei einem relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Lambda = 1,55 und einem festen Zündzeitpunkt IT = -8 °CA tritt die MFB50 (50% der über einen Motorzyklus verbrannten Kraftstoffmasse) bei 19,7 °CA nach dem oberen Totpunkt auf, was zu NOx-Emissionen von ca. 1,44 g/kWh führt. Der Motorprüfstand wurde mit umfangreicher Messtechnik gestattet (untere Abbildung: Messpunkte-Plan vom Ein-Zylinder-BHKW-Motorprüfstand für die experimentellen Untersuchungen zur Wassereinspritzung).
Ein-Zylinder - 232 ccm - Motorenprüfstand
- Idealer Prüfstand zur Untersuchung von innovativen Zündsystemen und synthetischen Kraftstoffen:
- Ottomotor (232 cm³) mit Wasserkühlung
- geringer Kraftstoffverbrauch
- drehzahl- und kraftstoffvariabler Betrieb
- Kompatibel für alle Arten von Zündsystemen wie Hakenzündkerzen, gespülte und ungespülte Vorkammerzündkerzen, Oberflächenzündung (HSI)
- Zylinderdruckindizierung
- Kurbelwinkelaufgelöste Luftmassenstrommessung
- präzise Kraftstoffverbrauchsmessung
- Echtzeitfähige Messdatenerfassung
Kontakt: Sascha Holzberger
Komponentenprüfstände
Einspritzstrahlprüfstand
Die Entwicklung und Optimierung moderner Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren bedingt den Einsatz hoch genauer Analysewerkzeuge gleichwie die experimentellen Untersuchungen an optisch zugänglichen Motoren oder Prüfständen unter motorähnlichen Bedingungen. Daher wurde an GenLab ein Einspritzstrahlprüfstand entwickelt und aufgebaut (Abbildung: Einspritzstrahlprüfstand des Forschungsbereichs GenLab).
Die Unterseite des Strömungskanals ist ein verstellbares Aluminiumprofil, das durch zwei Kontaktheizungen mit einer Heizleistung von 1,55 W/cm2 und einer Gesamtfläche von 45 cm2 beheizt werden kann. Eine schwenkbare Struktur ermöglicht die Auswertung des Einflusses verschiedener Einspritzwinkel auf die Wechselwirkung zwischen Einspritzstrahl und Strömung. Analog zu Motorversuchen wurde Wasser unter Einfluss von Druckluft eingespritzt, deren Druckniveau mit einem hochpräzisen Druckregelventil LRP-1/4-10 von Festo eingestellt wurde. Der Luftmassenstrom und die Temperatur durch den Strömungskanal des Prüfstands wurden mit der Motoransaugluft-Konditioniereinheit eingestellt und mit einem Bosch-Heißfilm-Luftmengenmesser HFM5-4.7 und einem Thermoelement Typ K am Messpunkt MP in Abbildung 1 überwacht. Die Sprühbilder wurden mit einer monochromatischen CCD-Kamera mit einer Auflösung von 9 Megapixeln und einer maximalen Bildrate von 7 fps aufgenommen. Die Kamera ist auf einem verstellbaren Stativ befestigt, das eine horizontale und vertikale Verschiebung ermöglicht. Die Kameraeinstellungen wurden mit der Software SVCapture (SVS-Vistek) vorgenommen. Für kontrastreiche Spraybilder wurde eine Infrarot-Lichtquelle Büchner HI-LIGHT-120 eingesetzt. Zusätzlich wurde ein Infrarotfilter an das Objektiv gekoppelt, um die durch andere Wellenlängen des Umgebungslichts verursachte Verzerrung zu reduzieren. Die Steuerung des Einspritzstrahlprüfstands und die Datenerfassung wurden mit einer ADwin Gold-II-Einheit und einer LABVIEW-Software durchgeführt.
