Grundlagen der Verbrennung Idealprozesse Berechnungsmodelle zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses Analyse ausgeführter Motoren

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1 Inhalt der Lehrveranstaltung Grundlagen der Verbrennung Idealprozesse Berechnungsmodelle zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses Analyse ausgeführter Motoren Folie 1

2 Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Luftbedarf und Luftverhältnis Gemischheizwert Chemisches Gleichgewicht Zusammensetzung und Stoffgrößen des Verbrennungsgases Umsetzungsgrad Reaktionskinetik Zündprozesse Flammenausbreitung Brennstoffzelle Folie 2

3 Eigenschaften der Verbrennung Entscheidender Vorgang im Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors Der starke Anstieg von Temperatur und Druck infolge der Verbrennung liefert die Nutzarbeit der Verbrennungskraftmaschine und ist für die Schadstoffbildung verantwortlich Der Verbrennungsablauf ist durch hochdynamische Strömungsvorgänge, molekularen Transport und chemische Reaktionen gekennzeichnet Entzieht sich wegen seiner Komplexität einer exakten Berechnung. Verbesserung der Genauigkeit der Verbrennungssimulation mit phänomenologischen und chemischen Modellen unterstützt durch zunehmende Leistungsfähigkeit der Computer 1. Grundlagen der Verbrennung Folie 3

4 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Technische Brennstoffe beinhalten als Hauptenergieträger Kohlenstoff und Wasserstoff. Dazu kommen andere unerwünschte brennbare Komponenten wie z.b. Schwefel sowie Ballaststoffe (Sauerstoff, Wasser, Stickstoff, Asche,...) Brennstoffe für Verbrennungsmotoren (Kraftstoffe) Es kommen flüssige und gasförmige Kraftstoffe zur Anwendung. Versuche zur Verarbeitung fester Brennstoffe ohne vorheriger Umwandlung blieben bisher erfolglos Folie 4

5 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Einteilung nach Herkunft Brennstoffe auf fossiler Basis Flüssige Brennstoffe: Mineralölbasis: Brennstoffe werden durch Destillation und teilweise Umwandlung in der Raffinerie gewonnen Kohlebasis: Die Kohle muss durch Hydrierung oder Vergasung mit anschließender Synthese verflüssigt werden Gasförmige Brennstoffe: Erdgas Brennstoffe auf nicht-fossiler Basis Biomasse: Methanol durch Vergasung, Ethanol durch Gärung, Rapsmethylester (RME) Aus Abfallprodukten: Altreifenpyrolyseöle, Klärgase, Deponiegase, etc... Elektrische Energie: Wasserstoff durch Elektrolyse Sonnenenergie: Wasserstoff durch Photosynthese Folie 5

6 Destillation von Erdöl Fertigprodukte Mengenanteil Flüssiggase, z.b. Propan, Butan ~ 3% Rohbenzin (Naphtha) ~ 9% Benzin (Otto Kraftstoff) ~ 24% Flugturbinenkraftstoff (Kerosin) ~ 4% Dieselkraftstoff, leichtes Heizöl < 21% schweres Heizöl ~ 11% Bitumen, Heizöl schwer ~ 3,5% Schmierstoffe ~ 1,5% Sonstige Produkte, Verluste usw. ~ 2% Folie 6

7 Synthetische Kraftstoffe Als synthetische Kraftstoffe (synthetic fuel, Synfuel) werden bestimmte Kraftstoffe bezeichnet, die sich von konventionellen Kraftstoffen (Diesel, Benzin, Kerosin) durch ein aufwendigeres Herstellungsverfahren (Veränderung der chemischen Struktur) unterscheiden. XTL Schritte: GTL (gas to liquid) BTL (biomass to liquid) CTL (coal to liquid) Vergasung: Umwandlung zu Synthesegas (H 2, CO) Gasreinigung und Gaskonditionierung: Kohlenwasserstoffsynthese: Synthese des Gases in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu komplexeren Kohlenwasserstoffen, die als Kraftstoffrohprodukte dienen. Aufbereitung: Die Kohlenwasserstoffe werden zum fertigen Kraftstoff aufbereitet, wobei sie als synthetische Kraftstoffe den späteren Ansprüchen angepasst werden können. Folie 7

8 GTL Anlage Qatar (Shell) Folie 8

9 LNG LNG (Liquified Natural Gas) ca C bei geringem Druck LNG Tanker Dual-Fuel Motoren 3. März 2011 Folie 9

10 Shale Gas ( Schiefergas ) Schiefergas ist natürlich vorkommendes Erdgas, das in Tonsteinen und gespeichert wird. Fracking (Hydraulic fracturing) Folie 10

11 Gasfahrzeuge CNG (Compressed Natural Gas) Speicherung bei ca. 200 bar LPG (Liquified Petroleum Gas) Autogas Gemisch aus Propan/Butan/ Flüssig bei einem Druck von etwa 8 bar Wasserstoff LH2 - Flüssigwasserstoff (-259 C) Druckspeicher bis 700 bar Metallhydridspeicher Folie 11

12 Gasförmige Kraftstoffe für Stationärmotoren Gasart Zusammensetzung [%] CH 4 C 2 H 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 H 2 CO CO 2 N 2 Andere Erdgas ,6-7,2 0,2-1,3 0,1-0, ,1-1,6 0,8-9, Erdölbegleitgas Klärgas Biogas , Deponiegas Holzgas Koksgas , ,5-8 1,2-2,3 3,8-9,7 0-1 Hochofengas Coal Bed Methane Coal Seam Methane Coal Mine Methane ,1-0, Folie 12

13 Biokraftstoffe 1. Generation Pflanzenöle (Rapsöl, etc.) Biodiesel (RME) Bioethanol (Zuckerrüben, Getreide, Mais, etc.) 2. Generation Biomethan BTL Cellulose-Ethanol 3. Generation EE-Gas (Methanerzeugung mit H 2 aus Elektrolyse und CO 2 ) Folie 13

14 E5, E10 und E85 FFV Etwa 350 E85 Tankstellen in Deutschland USA und Brasilien Folie 14

15 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Wirkungsgrade verschiedener Verfahren zur Kraftstoffherstellung LPG ( Liquefied Petroleum Gas ): Gemisch aus Propan und Butan MTG-Prozess: ( Methanol to Gasoline ) Verfahren zur Herstellung von aromatischem Benzin aus Methanol Fischer-Tropsch-Verfahren: Verfahren zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen aus Synthesegas (H 2 und CO) Folie 15

16 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Einteilung nach chemischer Struktur Reine Kohlenwasserstoffe Paraffine (Alkane): kettenförmige einfache HC-Verbindungen Bruttoformel: C n H 2n+2 Normalparaffine: ohne Verzweigung H I H C H I H Methan H H H H H H H I I I I I I I H C C C C C C C H I I I I I I I H H H H H H H n-heptan Iso-Paraffine: mit Verzweigung H CH 3 H CH 3 H I I I I I H C C C C C H I I I I I H CH 3 H H H Iso-Oktan Folie 16

17 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Einteilung nach chemischer Struktur Reine Kohlenwasserstoffe Olefine (Alkene): kettenförmige HC-Verbindungen mit Doppelbindung Mono-Olefine: eine Doppelbindung Bruttoformel C n H 2n H H I I C = C I I H H Ethen Di-Olefine: zwei Doppelbindungen Bruttoformel C n H 2n-2 H H I I C = C = C I I H H Propadien Folie 17

18 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Einteilung nach chemischer Struktur Reine Kohlenwasserstoffe Naphtene (Zyclo-Alkane): ringförmige einfache HC- Verbindungen Bruttoformel C n H 2n H H H H C C C C C C H H H H Zyklohexan Aromaten: HC-Verbindungen, die auf dem Benzolring mit sechs C- Atomen mit drei Doppelbindungen aufbauen H C II H C H I C C I H Benzol C H I C H Folie 18

19 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Einteilung nach chemischer Struktur Sauerstoffträger Alkohole: Verbindungen mit einer an ein Kohlenstoffatom angelagerten OH-Gruppe Ether: Verbindungen mit einem Sauerstoffatom zwischen zwei C-Atomen Eigenschaften H I H C OH I H Methanol H H I I H C C OH I I H H Ethanol H H I I H C O C H I I H H Ether Sauerstoffträger sind Kohlenwasserstoffe mit angelagerten Sauerstoffatomen Verminderung des Heizwertes und des Luftbedarfes durch angelagerte Sauerstoffatome Folie 19

20 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Eigenschaften Die chemische Struktur und die Kettenlänge (Anzahl der C-Atome) bestimmen die Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe Die Siedetemperatur steigt mit der Anzahl der C-Atome (Abbildung a) Die Dichte steigt mit der Anzahl der C- Atome; bei Aromaten bleibt sie etwa konstant (Abbildung b) Der Heizwert fällt mit der Anzahl der C- Atome; nur bei Aromaten nimmt er zu. (Abbildung c) Folie 20

21 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Benzin Gemisch aus niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen Siedebereich C Diesel Unterschied zum Benzin liegt im Wesentlichen im Siedebereich und in den Zündeigenschaften C/H-Verhältnis und Heizwert unterscheiden sich kaum von Benzin Siedebereich C Allgemein: Siedebereich von Otto- und Dieselkraftstoffen meist den klimatischen Gegebenheiten angepasst Variation der Siedekurven je nach Herstellung und klimatischen Gegebenheiten unterschiedlich Folie 21

22 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Ottokraftstoffe Geringe Neigung zur Selbstzündung gefordert Dieselkraftstoff Hohe Zündwilligkeit gefordert Benzin Oktanzahl als Maß für die Klopfneigung Prüfkraftstoff wird in genormten CFR-Prüfmotor mit einer Mischung aus Iso- Oktan (C 8 H 18, klopffest) und n-heptan (C 7 H 16,klopffreudig) verglichen Vor allem bei bleifreiem Benzin Zusätze von Sauerstoffträgern (Alkohole, Ether) zur Erhöhung der Klopffestigkeit Gasförmige Kraftstoffe Methanzahl als Maß für die Klopfneigung Prüfkraftstoff wird unter genormten Betriebsbedingungen mit einer Mischung aus Methan (MZ100, klopffest) und Wasserstoff (MZ 0, klopffreudig) verglichen Methanzahl gibt den Methananteil einer Mischung von Methan (MZ100, klopffest) und Wasserstoff (MZ 0, klopffreudig) in Volumsprozent an. Cetanzahl als Maß für die Zündwilligkeit Zündverzug des Prüfkraftstoffs wird in genormten Betriebsbedingungen mit einer Mischung aus Cetan (C 16 H 34, zündwillig) und -Methylnaphthalin (C 11 H 10, zündunwillig) verglichen Folie 22

23 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Zündtemperatur Jene niedrigste Temperatur, bei der eine selbständige Entzündung des Kraftstoffs in einem offenen Gefäß erfolgt Zündgrenzen Die durch das Mischungsverhältnis von Luft und Kraftstoff gekennzeichneten Mischungsverhältnisse, innerhalb derer eine Zündung möglich ist. Erlenmeyerkolben Folie 23

24 1. Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Flammpunkt Jene Temperatur, bei der in einem offenen Gefäß gerade so viel Kraftstoff verdampft, dass ein durch Fremdzündung entflammbares Gemisch entsteht. Je nach Höhe dieses Flammpunktes erfolgt die Einteilung des Kraftstoffes in unterschiedliche Gefahrenklassen Gefahrenklasse 1 ( A I ) Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21 Grad C leicht entzündbare Stoffe Gefahrenklasse 2 ( A ll ) Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 2l Grad C bis 55 Grad C Gefahrenklasse 3 ( AIII ) Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt zwischen 55 Grad C und 100 Grad C Folie 24

25 1. Grundlagen der Verbrennung Luftbedarf und Luftverhältnis Stöchiometrischer Luftbedarf Der stöchiometrische Luftbedarf L st kann aus dem stöchiometrischen Sauerstoffbedarf und der Zusammensetzung der Luft (N 2 : O 2 = 0,79 : 0,21) errechnet werden: L st 1 0,21 O 2st 4,76 O 2st L st...stöchiometrischer Luftbedarf in kmol je kg Brennstoff O 2st...stöchiometrischer Sauerstoffbedarf in kmol O 2 je kg Brennstoff Folie 25

26 1. Grundlagen der Verbrennung Luftbedarf und Luftverhältnis Beispiel Berechnung des stöchiometrischen Luftbedarfs für einen Kohlenwasserstoff C X H Y O Z y z y CxHyOz x O2 x CO2 H2O Der Sauerstoffbedarf der stöchiometrischen Verbrennung beträgt: y z 2s t x 4 2 kmolo kmolb O 2 Daraus ergibt sich für den stöchiometrischen Luftbedarf: L s t 4, 76 x y 4 z 2 kmoll kmolb Folie 26

27 1. Grundlagen der Verbrennung Luftbedarf und Luftverhältnis Flüssige und feste Brennstoffe Bei flüssigen und festen Brennstoffen ist meistens die molare Masse des Brennstoffs nicht genau bekannt, sondern nur die Elementaranalyse in Massenanteilen. In diesem Fall ist es günstiger, den Sauerstoff- bzw. Luftbedarf auf 1 kg Brennstoff zu beziehen. Mit Berücksichtigung des Schwefelgehaltes gilt: c h s o O 2s t 12,01 4,032 32,06 32,00 c L s t 4, 76 12,01 h 4,032 s 32,06 o 32,00 L st...stöchiometrischer Luftbedarf in kmol Luft je kg Brennstoff O 2st...stöchiometrischer Sauerstoffbedarf in kmol O 2 je kg Brennstoff c, h, s, o...massenanteile an Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel, Sauerstoff Der stöchiometrische Luftbedarf in kg Luft je kg Brennstoff ergibt sich dann zu: c L st 1378, 12,01 h 4,032 s 32,06 o 32,00 Folie 27

28 1. Grundlagen der Verbrennung Luftbedarf und Luftverhältnis Luftverhältnis Die bei der Verbrennung zugeführte Luftmenge weicht in der Regel vom stöchiometrischen Luftbedarf ab. Diese Abweichung wird durch das Luftverhältnis (auch Luftzahl) gekennzeichnet: O O 2 2st O 2...tatsächlich zugeführte Sauerstoffmenge (bezogen auf 1 kg oder 1 kmol Brennstoff) L...tatsächlich zugeführte Luftmenge (bezogen auf 1 kg oder 1 kmol Brennstoff) L L st Luftverhältnis ist eine wichtige Kennzahl jeder Verbrennung Bei Ottomotoren: ~ 0,8 1,2 Bei Magergasmotoren: ~ 1,8 2,2 Bei Dieselmotoren: ~ 5 (Leerlauf), ~ 1,3 (Volllast) Bei 1 unvollständige Verbrennung, da infolge Sauerstoffmangel nicht der gesamte Brennstoff umgesetzt werden kann Im englischsprachigen Raum Verwendung des Kehrwertes von Equivalence Ratio L st L 1 Folie 28

29 1. Grundlagen der Verbrennung Luftbedarf und Luftverhältnis Luftverhältnis aus der Brennstoff- und Luftmengenmessung Das Luftverhältnis lässt sich am einfachsten durch eine Brennstoff- und Luftmengenmessung ermitteln: L L st L...tatsächlich zugeführte Luftmenge (bezogen auf die zugeführte Brennstoffmenge in kg Luft je kg Brennstoff) L st...stöchiometrischer Luftbedarf in kg Luft je kg Brennstoff Umgerechnet auf die während der Beobachtungszeit zugeführte Brennstoffmasse ergibt sich: ml L m st B m B...zugeführte Brennstoffmasse in kg m L...zugeführte Luftmasse in kg Anstelle der Massen auch Einsetzen der Stoffmengen (in kmol) oder der Normvolumina (m 3 bei Normzustand) möglich Berechnung von L st aus Elementaranalyse des Brennstoffs Ermittlung von auch über Abgasanalyse möglich, wenn keine Brennstoffund Luftmengenmessungen vorliegen Folie 29

30 Beispiel Luftmengenmessung Drehkolbengaszähler Volumetrisch messender Zähler zur Ansaugluftmessung Rotationsmoment am Drehkolben durch Druckgefälle zwischen Eintritt und Austritt Einbaulösung mit Flanschen in bereits vorhandenes Rohrstück Je nach Bauart für senkrechte oder waagrechte Einbaubedingungen geeignet Konstruktiv aufgebaut aus Gehäuse, Messeinsatz, Strömungsgleichrichter, Magnetkupplung, Zählwerkskopf, Schmiereinrichtung und Impulsgebern Für gleichmäßige Strömung wird ein Beruhigungsbehälter vorgeschaltet Folie 30

31 Beispiel Kraftstoffverbrauchsmessung Kraftstoffwaage Der Kraftstoff strömt über eine Füllleitung in den Behälter und weiter zum Motor Während der Messung wird der Zufluss geschlossen und der Kraftstoff fließt aus dem Behälter zum Motor Die Kraftstoffmasse im Behälter nimmt ab und die Biegefeder biegt sich nach links Diese Bewegung wird über einen Hebel auf eine bewegliche Kondensatorplatte übertragen Die Kapazität des in einer Brückenschaltung liegenden Kondensators verändert sich und löst ein Brückensignal aus Folie 31

32 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Diejenige Energie, die mit 1 m 3 Frischladung bezogen auf den Außenzustand in den Zylinder eingebracht werden kann. Bei gemischansaugenden Motoren (Ottomotoren) wird der Gemischheizwert auf 1 m 3 Gemisch, bei luftansaugenden Motoren auf 1 m 3 Luft bezogen. Gemischansaugende Motoren Es gilt die Beziehung: Setzt man in diesem Ausdruck und weiters für V H G m H L G G mb H V m L G G L u m so ergibt sich für den Gemischheizwert des gemischansaugenden Motors: st Hu L st B m B G 1 H G...Gemischheizwert in kj/m 3 H u...heizwert in kj/kg m B...Brennstoffmasse in kg m L...Luftmasse in kg V G...Volumen des Gemisches in m 3 G...Dichte des Gemisches in kg/m 3...Luftverhältnis L st...stöchiometrischer Luftbedarf in kg/kg Folie 32

33 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Luftansaugende Motoren Es gilt die Beziehung: Setzt man in diesem Ausdruck und weiters für H G mb H V ml VL m L L L L st u m B H G...Gemischheizwert in kj/m 3 H u...heizwert in kj/kg m B...Brennstoffmasse in kg m L...Luftmasse in kg V L...Volumen der Luft in m 3 L...Dichte der Luft in kg/m 3...Luftverhältnis L st...stöchiometrischer Luftbedarf in kg/kg so ergibt sich für den Gemischheizwert des luftansaugenden Motors: H G Hu L L st Folie 33

34 Gemischheizwert Zusammenhang Gemischheizwert / effektiver Mitteldruck: 1. Grundlagen der Verbrennung Für den Mitteldruck gilt: p me W V e H Arbeit je Arbeitsspiel Hubvolumen Der effektive Wirkungsgrad ist definiert mit η e W Q e B effektiv gewonnene Arbeit zugeführte Brennstoffenergie Für die zugeführte Brennstoffenergie gilt: Q B λ a V H H G Daraus ergibt sich für den Mitteldruck durch Umformung: H G...Gemischheizwert in kj/m 3 p me λ a H G e a...luftaufwand (Frischgasaufwand), Liefergrad e...effektiver Wirkungsgrad Folie 34

35 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Wirkungsgrad e ist bestimmt durch: Gemischheizwert H G ist bestimmt durch: Luftaufwand a ist bestimmt durch: Umsetzungsverluste Verbrennungsverluste Verluste durch Wärmeübergang Ladungswechselverluste Mechanische Verluste Heizwert H u Luftverhältnis Luft / Gemischansaugender Motor Strömungswiderstände im Ansaugsystem und am Ventil Ventilüberschneidung, Spülverluste Wärmeaustausch mit den Zylinderwänden und Ansaugkanal Füllungsregelung (bei Ottomotoren übliche Regelung): e Veränderung von Liefergrad a durch Drosselklappe bei gleichbleibendem Luftverhältnis Gemischregelung (bei Dieselmotoren übliche Regelung): Veränderung der Einspritzmenge (Luftverhältnis und Gemischheizwert) bei gleichbleibendem a p m p me λ a λ a H H G G η e e Folie 35

36 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Starker Einfluss des Luftverhältnisses erkennbar Kurvenbereich bei 1 unrealistisch, da hier nicht genügend Luft für vollständige Verbrennung Berücksichtigung des chemischen Gleichgewichtes des Verbrennungsgases durch genauere Rechnung Folie 36

37 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Beispiel: Berechnung von H G und H G bei =1 für verschiedene Brennstoffe Heizwert H u Dichte L st Dichte Gemisch Dichte Luft [kj/kg] [kg/m 3 ] [kg / kg Bst.] G [kg/m 3 ] L [kg/m 3 ] Benzin * ,5 Diesel ,5 Erdgas ** ,83 13,1 1,2928 Methan ,72 17,2 Wasserstoff ,09 34,2 * Eurosuper 95 Oktan ** sehr stark von der Zusammensetzung abhängig Folie 37

38 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Dichte eines Brennstoff Luft-Gemisches Herleitung: B L B B L L G B L G G G V V V ρ V ρ V m m V m ρ B B L L B L G ρ m ρ m m m ρ Setzt man für die Brennstoffmasse den Ausdruck, so erhält man für die Dichte eines Brennstoff-Luft-Gemisches: st L B L λ m m B st L st G ρ L 1 ρ 1 L λ 1 1 ρ Folie 38

39 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Beispiel: Berechnung bei =1 für verschiedene Brennstoffe Heizwert H u [kj/kg] Dichte [kg/m 3 ] L st [kg / kg Bst.] Dichte Gemisch G [kg/m 3 ] Benzin * ,5 1,3818 Dichte Luft L [kg/m 3 ] Gemischansaug. Luftansaugend H G [kj/m 3 ] H G [kj/m 3 ] 3.655, ,50 Diesel ,5 1, , ,82 Erdgas ** ,83 13,1 1,2436 1, , ,71 Methan ,72 17,2 1, , ,14 Wasserstoff ,09 34,2 0, , ,14 Bezogen auf Benzin: Gemischansaugend Luftansaugend H G /H G Benzin H G /H G Benzin Benzin * 100% 100% Diesel 104,88% 104,88% Erdgas ** 92,42% 103,40% Methan 93,10% 102,81% * Eurosuper 95 Oktan ** sehr stark von der Zusammensetzung abhängig Wasserstoff 87,40% 124,09% Folie 39

40 1. Grundlagen der Verbrennung Gemischheizwert Gemischheizwerte bei = 1 für verschiedene Brennstoffe Folie 40

41 1. Grundlagen der Verbrennung Zündgrenzen / Kennzahlen Zündgrenzen und Kennzahlen für verschiedene Brennstoffe Zündgrenzen [-] ROZ [-] MOZ [-] Benzin * 0,4 / 1, Diesel 0,48 / 1, Erdgas ** 0,7 / 2, Methan 0,7 / 2, Wasserstoff 0,2 / 10, CZ [-] MZ [-] ROZ...Research-Oktanzahl MOZ...Motor-Oktanzahl CZ...Cetanzahl MZ...Methanzahl * Eurosuper 95 Oktan ** sehr stark von der Zusammensetzung abhängig Folie 41

42 1. Grundlagen der Verbrennung Wasserstoff - Verbrennungsmotor Gemischheizwerte Gemischheizwert H G, H G [MJ/m3] Methanol Ethanol Erdgas Ottokraftstoff Diesel Methan p i = a x H G x i Stöchiometr. Luftbedarf L St [kg/kg] 15 % Gemischansaugend Luftansaugend 42 % Wasserstoff Folie 42

43 1. Grundlagen der Verbrennung Wasserstoff - Verbrennungsmotor H 2 spezifische Verbrennungsprozesse Conditions: = 1 n = const. e = const. T = const. Fuel Gasoline Hydrogen Hydrogen Hydrogen Concept Port Injection Port Injection Direct Injection Supercharged Direct Injection Mixture Calorific Value [MJ/m 3 ] circa 7.8 Power Output [%] (Compared to Gasoline) circa 200 Folie 43

44 Versuchsträger Bore Stroke 86 mm 86 mm Swept volume cm 3 Compression ratio var., presently 10.5:1 Max. speed 6000 rpm DI-Injektor Max. cylinder pressure 100 bar Number of valves 4 Valve actuation DOHC, toothed belt Mass compensation Valve timing: - Inlet - Outlet Max. valve lift Lubrication Cylinder liners Dry weight First order 268 / / mm / 9.5 mm Dry sump Wet Approx. 260 kg Folie 44

45 1. Grundlagen der Verbrennung Wasserstoff - Verbrennungsmotor Indizierter Mitteldruck p i [bar] % +15%? Luftverhältnis [-] Wasserstoff DI Saugrohreinspritzung H 2 Saugrohreinspritzung Otto n=2.800 RPM Folie 45

46 Influence of air/fuel ratio Cylinder pressure [bar] Air/fuel ratio =1.3 Air/fuel ratio =1.7 Air/fuel ratio =2.7 Crank angle [ CA] n=2.000 RPM IMEP=11 bar Rate of heat release [J/ KW] Folie 46

47 Influence of start of injection Cylinder pressure [bar] SOI=120 CA BTDC SOI=80 CA BTDC SOI=40 CA BTDC Crank angle [ CA] n=2.000 RPM IMEP=6 bar p H2 =150 bar Rate of heat release [J/ KW] Folie 47

48 Simulation of mixture formation Early injection Late injection <0.5 =1 > CA BTDC Folie 48

49 Simulation of mixture formation Early injection Late injection Ignition Timing (12 CA BTDC) Ignition Timing (TDC) <0.5 =1 >10.5 Lambda-value near spark plug at ignition timing: 1.32 Lambda- value near spark plug at ignition timing: 0.66 Folie 49

50 Analysis of relevant operation points n=2.000 RPM IMEP=6 bar Efficiency / losses [%] Gasoline H 2 -PI H 2 -DI (SOI=120) η ICS η IC η RC η WH η GE ηi / ηi HD H 2 -DI (SOI=40) Diesel Gen. 1 Folie 50

51 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Wärmeübergang 2000 G x K Arbeitsgas Q W G A (T G T WG ) Temperatur [ K ] T G q W Brennraumwand Q w s A (T WO T WK ) Wärmeübergangskoeffizient [W/m K] T WO T WK T ~ konst K Kühlmedium Q W K A (T K T WK ) Kurbelwinkel [ KW ] G ~ konst Arbeitsgas Brennraumwand K Kühlmedium Folie 51

52 Investigations concerning heat transfer Allocation of sensors Set-up of sensors Thermo Material No 1 Metal layer Thermo Material No 2 Insulating layer Steel cladding Folie 52

53 Investigations concerning heat transfer n=2000 RPM IMEP=6 bar SOI=120 CA BTDC Heat flux [W/cm 2 ] Crank angle [ CA] Folie 53

54 Investigations concerning heat transfer n=2000 RPM IMEP=6 bar SOI=40 CA BTDC Heat flux [W/cm 2 ] Crank angle [ CA] Folie 54

55 Investigations concerning heat transfer Allocation of sensors Set-up of sensors Thermo Material No 1 Metal layer Thermo Material No 2 Insulating layer Steel cladding Weighting of sensors Folie 55

56 Investigations concerning heat transfer Heat transfer coefficient [W/m 2 K] Gasoline H 2 -PI H 2 -DI early n=2.000 RPM IMEP=6 bar Crank angle [ CA] Folie 56

57 Investigations concerning heat transfer Heat transfer coefficient [W/m 2 K] n=2.000 RPM IMEP=6 bar SOI=120 CA BTDC SOI=80 CA BTDC SOI=40 CA BTDC Crank angle [ CA] Folie 57

58 Analysis of relevant operation points n=2.000 RPM IMEP=6 bar Efficiency / losses [%] Gasoline H 2 -PI H 2 -DI (SOI=120) η ICS η IC η RC η WH η GE ηi / ηi HD H 2 -DI (SOI=40) H 2 -DI (SOI=65) Diesel Gen. 1 Gen. 2 Folie 58

59 Potential concerning efficiency Indicated efficiency ihp [%] n=2.000 RPM IMEP=6 bar Wall heat losses - 35% - 25% - 10% Current Config. + 10% + 25% Compression ratio [-] Folie 59

60 1. Einleitung Mitteldrücke Mitteldruck allgemein: p-v Diagramm p m W V h Arbeit je Arbeitsspiel Hubvolumen 4-Takt - Ottomotor Innerer (indizierter) Mitteldruck: W i p dv i p mi Wi V h innere Arbeit je Arbeitsspiel Hubvolumen p dv i V h Folie 60

61 1. Einleitung Mitteldrücke Effektiver Mitteldruck: p me W V e h effektive Arbeit je Arbeitsspiel Hubvolumen Aus M e Fl, aus der Drehmomentmessung, ergibt sich mit W W 4 e M e 2 e M e für den 4-Takt Motor, bzw. für den 2-Takt Motor für den effektiven Mitteldruck: p me 4 M V h e für den 4-Takt Motor p me 2 M V h e für den 2-Takt Motor Reibmitteldruck: p mr W V r h Reibungsarbeit je Arbeitsspiel Hubvolumen Dabei gilt W p r mr W W p i mi p e me Folie 61