Blockheizkraftwerke an der HSKA - die Zündkerzen sparen wir uns!

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Charlotte Bieber
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1 Blockheizkraftwerke an der HSKA - die Zündkerzen sparen wir uns! Wir machen mit! Festkolloquium 12. Oktober 2012 Hochschule Karlsruhe Prof. Dr.-Ing. Maurice Kettner Folie: 1

2 Gliederung Einführung BHKW Herausforderung Zündsystem Neuartiges Entflammungssystem Zusammenfassung und Ausblick Folie: 2

3 1232 mio. Tonnen CO 2 -Äquivalent Anzahl 100% 80% Energiekonzept 2050 der Bundesregierung Prognose: Anzahl an Klein-BHKWs in Deutschland bis 2020 [Quelle: trend:research] 60% 40% 20% 0% [nach: Deutsche Umwelthilfe, 12/2009] Gleichzeitig werden jedoch schärfere Schadstoffgrenzwerte, insbesondere bei den Stickoxiden NO x, erwartet. Weg: Kraft-Wärme-Kopplung Ziel der Bundesregierung ist die Erhöhung des KWK-Anteils auf 25% bis 2020 bei der Erzeugung elektrischer Energie mit dem Ziel den Primärenergieverbrauch und damit die CO 2 -Emissionen zu reduzieren. Herausforderungen für Motorenentwickler: Hocheffiziente Blockheizkraftwerke mit gleichzeitig geringen CO 2 -Emissionen und geringen NO x -Emissionen Folie: 3

4 Senertec Dachs P EL = 5,5 kw h EL = 28 % h GES bis 99 % Dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung: Blockheizkraftwerke [Senertec] Schleif GS201E P EL = 201 kw [Schleif- Automation] Jenbacher J920 P EL = kw h EL = 48,7% h GES > 90 % 3,3 m [GE Jenbacher] Folie: 4

5 Als BHKW-Antriebe werden in der Regel Ottomotoren nach dem Viertakt-Prinzip verwendet. Wirkungsgrad des vollkommenen Ottomotors 70% h = 52 % h = 48 % 60% 50% 40% h = 54,5 % 30% 20% Verdichtungsverhältnis [-] * mit Berücksichtigung der Dissoziation Fremdzündung über Zündkerzen Folie: 5

me = 17 bar 20 15 0 Betriebsstunden 1000 2000 3000 BHKWs laufen teilweise

6 Zündkerzenverschleiß durch Funkenerosion an den Elektroden Zündspannung U Z [kv] [Rager2006] p me = 22 bar Spannungsgrenze der Zündanlage p me = 17 bar Betriebsstunden BHKWs laufen teilweise mehr als 8000 Bh/Jahr Könnten wir vielleicht auf die Zündkerze verzichten?? Folie: 6

7 Es gibt bei Ottomotoren ein Phänomen, bei dem das Gemisch auch vor dem Zündzeitpunkt entflammt Glühzündung z.b. bei Einsatz einer zu heißen Zündkerze: Folie: 7

8 M14 Was passiert bei einer ungewollten, unkontrollierten Glühzündung? Versuchszündkerze mit optischem Sensor Motorversuche: Zündkerze mit falschem Wärmewert nach 4 min 7 Folie: 8

9 Vielleicht können wir uns dieses Phänomen zunutze machen Wir provozieren Glühzündung kontrolliert Hot Surface Ignition herkömmliche Zündkerze SI SI Motorversuche mit Glühstift im Benzin- und Erdgasbetrieb Folie: 9

10 Vielleicht können wir uns dieses Phänomen zunutze machen Wir provozieren Glühzündung kontrolliert Hot Surface Ignition herkömmliche Zündkerze SI SI Entflammungszone Motorversuche mit Glühstift im Benzin- und Erdgasbetrieb Folie: 10

11 Vielleicht können wir uns dieses Phänomen zunutze machen Wir provozieren Glühzündung kontrolliert Hot Surface Ignition herkömmliche Zündkerze SI SI Entflammungszone Motorversuche mit Glühstift im Benzin- und Erdgasbetrieb Folie: 11

12 Vielleicht können wir uns dieses Phänomen zunutze machen Wir provozieren Glühzündung kontrolliert Hot Surface Ignition herkömmliche Zündkerze SI SI Entflammungszone Motorversuche mit Glühstift im Benzin- und Erdgasbetrieb Folie: 12

13 Vielleicht können wir uns dieses Phänomen zunutze machen Wir provozieren Glühzündung kontrolliert Hot Surface Ignition herkömmliche Zündkerze SI SI Entflammungszone Motorversuche mit Glühstift im Benzin- und Erdgasbetrieb Folie: 13

14 Vielleicht können wir uns dieses Phänomen zunutze machen Wir provozieren Glühzündung kontrolliert Hot Surface Ignition herkömmliche Zündkerze SI SI Entflammungszone Vorteil: Großräumige Entflammung führt zu beschleunigter Verbrennung Motorversuche mit Glühstift im Benzin- und Erdgasbetrieb Folie: 14

15 Verbrennung zum richtigen Zeitpunkt? 1. Selbstentflammung braucht Zeit Zündverzug t 2. Der Zündverzug ist von der Temperatur abhängig je heißer, desto kürzer der Zündverzug Verbrennung: zu früh optimal zu spät Zündverzug t heiß kalt geschleppt Folie: 15

16 1/2 Engine Speed n [rev/min] Glow plug temperatue T GP [ C] Glühstift-Temperatur T GS in C Motordrehzahl n in 2/min CA50 [deg ATDC] 10 IMEP [bar] Schwerpunktlage in KWnZOT Mitteldruck p mi in bar der Schlüssel zum sicheren Betrieb liegt in einer elektronischen Regelung Controlled Geregelter operation Betrieb Uncontrolled Ungeregelter operation Betrieb Motor Engine aus switch off 60 n Mitteldruck IMEP p mi 30 Schwerpunktlage CA T GP GS Aussetzer Volllast Full load λ = Zyklus-Nr. Cycle Schwerpunktlage: Zeitliche Lage der Verbrennung (50%-Umsatz) TGS: Temperatur Glühstift Folie: 16

17 Widerstand Resistance R in [Ω] W Messung der Temperatur an der Glühstiftspitze für Regelung erforderlich Keramik-Glühkerze PTC-Verhalten R = f(t) T 1200 C geringe thermische Trägheit y = 3E-07x x RR KERAMIK Ceramic Messung von Strom und Spannung am Netzteil R = U / I Glow Glühstift-Temperatur plug temperature T GS Tin GP C [ C] Folie: 17

18 Entflammungselemente Folie: 18

19 Ersatz der Zündkerze durch ein Entflammungselement mit Glühkerze Direkt- Vorkammer- Schirm- Benzin: kein stabiler Betrieb Benzin: geringe Abmagerbarkeit Benzin: verbesserte Abmagerbarkeit Erdgas: kein stabiler Betrieb Erdgas: in process Erdgas: verbesserte Abmagerbarkeit Elektrische Leistungen: : W (abhängig von Variante und Betriebspunkt) herkömmliches Zündsystem: 10 W Folie: 19

Zylinderdruck Zylinderinnendruck p / bar [bar] Vergleich Zündkerze 35 30 Zündkerze Zündkerze 25 20 φ

20 Zylinderdruck Zylinderinnendruck p / bar [bar] Vergleich Zündkerze Zündkerze Zündkerze φ max T BR T AB 5 ZOT ZZP = 50 KW v. ZOT [ KW φ / KW v. ZOT] Folie: 20

21 Zusammenfassung Kontrollierte Glühzündung möglich in Kombination mit elektronischer Regelung Erweiterte Abmagerbarkeit durch gesteigerte Entflammungsintensität Ausblick Optische Untersuchungen Reduktion der elektrischen Heizleistung durch optimierte thermische Auslegung Untersuchungen zur Lebensdauer Folie: 21

22 In Kooperation mit: Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Das Vorhaben wurde vom Land Baden-Württemberg über das Programm Innovative Projekte gefördert. Folie: 22

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