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SI/502205
H2-DI – Hydrogen Direct Injection Combustion Process
Zusammenfassung
Wasserstoff wird für gewisse Segmente des Energiesystems (insbes. heavy-duty, off-road und dezentrale WKK) zur Erreichung der Ziele der Energiestrategie 2050 ein wichtiger Baustein. Gegenüber PEMBrennstoffzellen haben Verbrennungsmotoren Vorteile bzgl. Lebensdauer, Investitionskosten, Wärmemanagement und Kraftstoff-Flexibilität (H2/CH4 Gemische). Herkömmliche H2-Verbrennungsmotoren verwenden meist sehr mager vorgemischte Brennverfahren mit div. Nachteilen. Dieses Projekt hatzum Ziel, Verbrennungsmotoren für Schwerlastanwendungen mit Effizienzniveaus von PEM Brennstoffzellen darzustellen. Die Kraftstoffum-wandlung soll dabei überwiegend im geschichteten, strahlgeführtenModus erfolgen, womit eine λ=1 Verbrennung mit nahezu Null-Emissionen erreicht werden kann, ohne die üblichen Klopfbegrenzungen konventioneller Brennverfahren. Das Projekt verfolgt hierzu Messungen in einem optischen Versuchsträger anhand dessen 3D-CFD Modelle entwickelt/validiertwerden kombiniert mit Motormessungen.
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Publikationen / Ergebnisse
Grüner Wasserstoff ermöglicht Fahrzeugantriebe ohne Treibhausgas-Emissionen am Auspuff: Hierzu wird Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle verstromt und treibt dann einen Elektromotor an. Oder der Wasserstoff wird mit einem Verbrennungsmotor direkt in mechanische Energie umgesetzt. Forscherinnen und Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf haben mit deutschen Partnern ein neues Brennverfahren für einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor erforscht. Ziel ist der Einsatz in Nutzfahrzeugen.
Schlussbericht
Wasserstoff-Verbrennungsmotoren sind eine attraktive Lösung für gewisse schwierig zu elektrifizierende Anwendugen. Sie bauen auf robuster, kostengünstiger und langlebiger Technik auf. Zudem sind sie, im Gegensatz zu Brennstoffzellen, sehr tolerant in Bezug auf die Treibstoffreinheit und sie ertragen problemlos Anwendungen mit hohen Vibrationen, wie sie beispielsweise bei Baumschinen vorkommen. Um NOx Emissionen zu minimieren sowie um Klopfen und Vorentflammungen zu vermeiden, werden die Motoren sehr mager betrieben, typischerweise bei λ Werten über 2. Dies bringt Herausforderungen bezüglich der Aufladung, der Verbrennungsspitzendrücke sowie der Leistungsdichte mit sich. Um dies zu umgehen wäre also ein Brennverfahren vorteilhaft, welche sehr magere Verbrennung umgeht, allerdings ohne zu Klopf- oder Vorentflammungsproblemen zu führen. Dieses Projekt befasst sich mit einem solchen Ansatz für effiziente H2-Verbrennungsmotoren hoher Leistungsdichte. H2 soll dazu direkt in den Brennraum eingeblasen und an der Strahlperipherie fremdgezündet werden, wobei die anschliessende Kraftstoffumwandlung überwiegend im geschichteten, strahlgeführten Modus erfolgt. Dabei soll das Potenzial für eine Verbrennung gegen λ=1, ohne die üblichen Klopfbegrenzungen, eröffnet werden. Dies, weil die Gemischbildung so gestaltet ist, dass eine Vormischung weitgehend vermieden wird. Das Hauptaugenmerk des Projekts liegt auf einem vertieften Verständnis der physikalisch-chemischen Prozesse, welche die Verbrennungsmodi von Wasserstoff bestimmt, basierend auf einem kombinierten experimentellen und numerischen Ansatz. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse und Werkzeuge dienen der späteren Umsetzung solcher Verbrennungskonzepte, was v.a. im Bereich der Stationärmotoren (z.B. Wärme-Kraft-Kopplung) sowie der schweren Nutzfahrzeuganwendungen relevant ist. Das Projekt kann als Erfolg bezeichnet werden: es ist gelungen, das Gemischbildungs- und Brennverfahren wie gewünscht umzusetzen. Die Arbeiten am sogenannten Einhubtriebwerk, ein Versuchsträger mit optischen Zugang, haben gezeigt, dass eine hauptsächlich diffusionsgesteuerte Verbrennung von Wasserstoff möglich ist. Dies eröffnet Wasserstoffmotoren das Potenzial, Wirkungsgradmässig auf Diesel-Niveau zu kommen. Dass das Brennverfahren funktioniert, konnte an einem Einzylinder-Versuchsmotor der Universität Stuttgart demonstriert werden. Mit Hilfe der begleitenden numerischen Forschung wurde zudem gezeigt, welche Prozesse dabei eine Rolle spielen. So wurde im Rahmen dieses Projekes die Grundlage für ein komplett neues Brennverfahren für Wasserstoff gelegt. Zukünftige Forschungsarbeiten können nun das Ziel verfolgen, dieses grundlegende Verständnis in Richtung echtem motorischem Betrieb zu entwickeln. Dies umfasst beispielsweise das Verständnis bzw. die Optimierung von Injektorgeometrie, die Wahl der Ladungsbewegung, die Auslegung von Distanzen zwischen Injekttor und Zündquelle sowie die Gestaltung des Zündvorganges. Für die Schweizer Situation wurde identifiziert, dass die Schweiz Waserstoff-Versorgungspfade aus Gebieten, welche reicht an erneuerbaren Ressourcen sind, entwickeln sollte. Technologien dafür sind recht weit entwickelt, es fehlt aber an grossen Umsetzungsprojekten aufgrund fehlender Investitionssicherheit, bzw. aufgrund eines zu tiefen "Policy-Radyness-Levels".
Projektdetails
- Forschungsstelle
- BFE
- Projektstatus
- Abgeschlossen
- Projekttyp
- Forschungsprojekt
- Startdatum
- 2021-04-30
- Enddatum
- 2023-11-29
- Bewilligte Gesamtkosten
- -
- Sektion
- Verbrennungsbasierte Energiesysteme
- NABS Politikbereich
- Erzeugung, Verteilung und rationelle Nutzung der Energie