Einfluss einer heißen Oberfläche auf die Verbrennung eines homogen kompressionsgezündeten Gasmotors

Abstract

Stationäre Gasmotoren erzielen als Herzstück von Blockheizkraftwerken Gesamtwirkungsgrade über 90 % und spielen damit eine wichtige Rolle bei der Energiewende. Mit Blick auf die zukünftige Verschärfung des Stickoxid-Emissionsgrenzwerts ergeben sich wirtschaftliche Nachteile beim Betrieb dieser Anlagen, wenn die konventionelle Magerverbrennung beibehalten wird. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit das neuartige Hot Surface Assisted Compression Ignition (HSACI) Verfahren entwickelt und untersucht. Dabei wird mit einer Oberflächenzündung eine Flammenverbrennung eingeleitet, die das unverbrannte Gemisch verdichtet und damit zur räumlichen Selbstzündung bringt. Experimentelle Untersuchungen an einem Einzylinder-Forschungsmotor zeigen, dass der Verbrennungszeitpunkt durch die Steuerung der Oberflächentemperatur gezielt beeinflusst werden kann. Gegenüber einer reinen Selbstzündung wird zudem eine Erweiterung des Betriebsbereichs und eine Reduktion der Stickoxid-Emissionen bei gleichbleibendem und teilweise sogar erhöhtem Wirkungsgrad möglich. Numerische ein- und dreidimensionale Simulationen geben Einblick in die dominierenden Mechanismen des Brennverfahrens und weisen den Weg für weitere Optimierungen. Versuche mit Wasserstoff und Wasserstoff-Erdgas-Gemischen unterstreichen das hohe Potential der Oberflächenzündung zur sicheren Entflammung reaktionsträger Gemische, was auf eine Übertragbarkeit des Konzepts auf alternative Brenngase wie Ammoniak oder Biogas hindeutet.