Projekt

Im durchgeführten Vorhaben konnte mit Hilfe von numerischen Simulationswerkzeugen und motorischen Versuchen ein innovatives Brennverfahren für einen erdgasbetriebenen Einzylinder-Motor des kleinen Leistungsbereichs entwickelt werden. Ziel war das Erreichen von möglichst geringen Stickoxidemissionen bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Seit 2018 gilt für gasbetriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) ein EU-weiter Grenzwert für Stickoxidemissionen von 240 mg/kWh Brennstoffeinsatz. Eine Abmagerung des Brennstoffgemisches könnte die Einhaltung verschärfender Grenzwerte durch innermotorische Maßnahmen erreichen, würde allerdings den Wirkungsgrad verringern. Auch ein Drei-Wege-Katalysator führt aufgrund von Wärmeverlusten zu geringeren Wirkungsgraden. Im Projekt wurde daher eine stöchiometrische Verbrennung mit der wirkungsgradsteigernden Maßnahme der erweiterten Expansion über den Ventiltrieb verfolgt. Gleichzeitig sollten durch eine Absenkung der Drehzahl die Reibverluste reduziert werden.

Vorgehen:

- Der Versuchsträger wurde unter Variation wesentlicher Betriebsparameter im stöchiometrischen Brennverfahren und mit Drei-Wege-Katalysator grundlegend vermessen. Daraus konnte das angestrebte Verdichtungsverhältnis für einen klopffreien Betrieb und die Zieldrehzahl abgeleitet werden. Ein vorhandenes 1D-Motoprozesssimulationsmodell wurde genutzt, um eine numerische Studie unter Variation von Saugrohrlänge und Einlasssteuerzeit durchzuführen. Die ermittelten Steuerzeiten wurden in ein Mehrkörpersimulationsmodell des einlassseitigen Ventiltriebs übertragen und damit die mechanische Belastung überprüft und die erforderlichen Schleifkoordinaten zur Fertigung der Nockenprofile abgeleitet. Die Ergebnisse der Simulationen wurden experimentell überprüft.

Ergebnisse:

- Die angestrebte Leistung des Serienmotors kann mit moderaten Abgasrückführungsraten bei 5-7 % erreicht werden. Mit späterem Einlassventilschließen und höherem geometrischen Verdichtungsverhältnis steigen sowohl indizierter als auch mechanischer Wirkungsgrad.

- Die Kombination aus stöchiometrischer Verbrennung, Drei-Wege-Katalysator, Abgasrückführung,  hohem geometrischen Verdichtungsverhältnis und erweiterter Expansion ermöglicht eine deutliche Entschärfung des Zielkonflikts zwischen Wirkungsgrad und Emissionen.