Forschungsschwerpunkt

CO2-neutrale Mobilität durch neue Kraftstoffe und innovative Brennverfahren

 

Unsere global vernetzte Welt basiert auf der Mobilität von Daten, Personen und Gütern. Dabei ist der klima- und umweltneutrale Transport von beiden letzteren eine der großen Herausforderungen unserer Gesellschaft:

Motorräder, Autos, Busse, Lastwagen, Sattelschlepper, Züge, Schiffe und Flugzeuge werden heute größtenteils durch fossile Kraftstoffe verbrennende Motoren oder Turbinen angetrieben.

Dabei wird das für die Erderwärmung mitverantwortliche Kohlendioxid (CO2) in großen, Luftschadstoffe wie Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Formaldehyd in deutlich geringeren, aber dennoch Mensch und Umwelt signifikant belastenden Mengen emittiert.

Neue Kraftstoffe für bestehende Fahrzeuge

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Neue, auf nachhaltigem Solar- und Windstrom oder auf Biomasse aus Pflanzenresten basierende Kraftstoffe können einen großen Beitrag auf dem Weg zu einer CO2-neutralen Mobilität leisten: Der Strom wird zur Hydrolyse von Wasser eingesetzt, der dabei entstehende Wasserstoff entweder direkt als Kraftstoff in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren verwendet oder in verschiedenen Syntheseverfahren unter Zuga-be von CO2 aus der Luft (Direct-Air-Capture Verfahren) zu Methan (Power to Gas), Me-thanol, höheren Alkoholen oder sogar zu benzin- und dieselähnlichen Kraftstoffen (Power to Liquid) weiterverarbeitet.
Diese können so designed werden, dass eine optimale Verbrennung in bestehenden Fahrzeugmotoren stattfindet und so gleichzeitig der Schadstoffausstoß der existierenden Fahrzeugflotte minimiert wird. Gleiches gilt für aus Pflanzenresten (Stroh, insbesondere Reisstroh, Grünschnitt usw.) synthetisierten Kraftstoffen wie Biogas (Biomass to Gas), Ethanol oder weiteren, ebenfalls dieselähnlichen Veredelungsstufen (Biomass to Liquid).
Die genannten synthetischen Kraftstoffe (bis auf den Wasserstoff) können durch die be-stehende Infrastruktur (Pipelines, Tankstellen) verteilt und zum großen Teil in bestehen-den Motoren umgesetzt werden. Zwar stoßen diese weiterhin CO2 aus, dieses wird aber bei der Produktion des Kraftstoffs bzw. beim Wachstum der Pflanzen aus der Luft ent-nommen. Dieser CO2-Kreislauf verhindert ein weiteres Ansteigen des CO2-Gehalts der Luft aufgrund von motorischer Verbrennung.

Innovative Verbennungkonzepte

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Zur weiteren Verbesserung der Umweltbilanz können diese Motoren gezielt für den Ein-satz der Power-to-X- und Biomass-to-X-Kraftstoffe optimiert werden. Insbesondere durch die Kombination mit einem Hybridantrieb lässt sich der Wirkungsgrad des Fahrzeugs nochmals deutlich steigern, der Ausstoß von Luftschadstoffen kann auf ein Minimum reduziert werden.
Hierzu entwickeln die Wissenschaftler um Prof. Trapp innovative Brennverfahren und die dazu gehörende Regelung. Eine simulationsgetriebene Entwicklungsmethodik erlaubt es dabei, komplexe Ideen sehr schnell zu bewerten und umzusetzen: Auf dem High Perfor-mance Cluster der Universität kommen dabei um eigene Modelle für Zündung, Verbren-nung und Reaktionskinetik erweiterte kommerzielle Simulationsprogramme zum Einsatz. Parallel dazu laufen Untersuchungen an einem thermodynamischen Einzylindermotor mit optischen Zugängen zur detaillierten Analyse der Zündung, der Flammenausbreitung und Schadstoffentstehung. Diese dienen zur Validierung der Modelle und der Simulati-onsergebnisse der neuen Konzepte, bevor dann auf einem Vollmotorprüfstand und im Fahrzeug auf der Rolle und der Teststrecke alle Aspekte der Entwicklung unter Realbedingungen getestet und optimiert werden.

Vorkammerbrennverfahren - alte Konzepte neu gedacht

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Der Einsatz von unterteilten Brennräumen in Verbrennungsmotoren ist nicht neu, Vorkammer- und Wirbelkammerverfahren waren lange Zeit Standard in Dieselmotoren. Heute sind Vorkammerbrennverfahren im Bereich der stationären Industriemotoren für gasförmige Kraftstoffe (Erdgas, Biogas) zur Stromerzeugung und den Einsatz in Blockheizkraftwerken weit verbreitet.
Bei diesen Vorkammerverfahren für Ottomotoren werden in einem separierten Teilvo-lumen (Vorkammer, etwa 0,5 – 3% des Gesamtbrennraumvolumens, die Zündkerze ist ein Teil der Vorkammer) optimale Bedingungen für eine Zündung und Verbrennung erzeugt: Temperaturverteilung, Strömungsfeld, Verteilung des Luft-Kraftstoffgemischs sowie der Restgase zum Zündzeitpunkt führen zu einer sehr schnellen Verbrennung in der Vorkammer. Der entstehende Überdruck beschleunigt heißes Gas und Radikale in den Überströmbohrungen zum Hauptbrennraum und induziert dort Flammenfackeln, die zu einer sehr schnellen und gleichmäßigen, damit wirkungsgradoptimalen und emissionsminimalen Umsetzung des Gemischs im Hauptbrennraum führen.
Im Fahrzeugbereich (Ottomotoren für Benzin und Gas) spielen diese Konzepte bisher nur im Rennsport eine Rolle: Hier kommt es vor allem auf den Volllastbereich an, so dass eine Optimierung auf wenige Betriebspunkte möglich ist. Für den Antrieb von Autos und Lastwagen sind jedoch alle Betriebsbereiche vom Leerlauf bis hin zur Volllast wichtig, im Alltag werden die Motoren hauptsächlich in der Teillast betrieben.
Moderne Konzepte für den Antrieb von konventionellen Fahrzeugen müssen in allen Be-triebsbereichen geringste CO2- und Luftschadstoffemissionen ermöglichen, eine Ausle-gung des thermischen Verhaltens, der Zündung und der Flammenausbreitung in einer Vorkammer hierfür ist sehr komplex. Mit der oben beschriebenen Entwicklungsmethodik gelingt dies heute: In der Kombination mit synthetischen Kraftstoffen (Methan, Methanol, Ethanol) lässt sich der Wirkungsgrad über den gesamten Fahrzyklus (WLTP) ge-genüber mit normalen Zündkerzen betriebenen Ottomotoren um 3-5 % Punkte verbessern. Gleichzeitig können die Rohemissionen von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden um 30%, die Partikelemissionen um mehr als 90% gesenkt werden.

Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) – die Zukunft beginnt heute

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Ein nochmals größeres Potential zur Wirkungsgradsteigerung und Minimierung der Schadstoffemissionen bieten sogenannte Reactivity Controlled Compression Ignition-Verfahren (RCCI).
Dabei bilden zwei Kraftstoffe mit signifikant unterschiedlicher Zündtemperatur (z.B. 95 - 97% Methan oder Ethanol und 3 -5% Diesel) zusammen mit einem deutlichen Luftüber-schuss ein homogen-mageres Gemisch. Dieses wird wie bei einem Dieselprozess durch die Kompression im Brennraum des Motors gezündet. Durch den hohen Luftüberschuss und der sehr schnell ablaufenden Volumenreaktion der Kraftstoffumsetzung ohne Flam-menfront bleiben die maximalen Verbrennungstemperaturen deutlich unter 2000 K, so dass kaum Stickoxide entstehen. Das homogen magere Gemisch verhindert zudem die Bildung von Partikel, so dass bei optimalem Prozessablauf und damit sehr geringen Koh-lenwasserstoff- und Kohlenmonoxidrohemissionen nur ein Oxidationskatalysator benötigt wird oder auf eine Abgasnachbehandlung komplett verzichtet werden kann.
Der schnelle Ablauf der Reaktion bei einem hohen Verdichtungsverhältnis und dem hohen Luftüberschuss ermöglich Wirkungsgrade von über 50%, die Stickoxid- und Partikelemissionen lassen sich um mehr als 95% senken, die Kohlenwasserstoff- und Kohlen-monoxidemissionen um 60 – 90%.
Die normalerweise nachteilige Sensitivität von RCCI-Verfahren hinsichtlich Drehzahl und Last, die eine Abstimmung über den gesamten Betriebsbereich für einen konventionellen, rein verbrennungsmotorischen Antrieb sehr schwierig macht, kommt bei einem Einsatz in Hybridfahrzeugen nicht zum Tragen: der Verbrennungsmotor kann nur auf einen oder einige wenige Betriebspunkte optimiert werden, da er nur zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Eine kleine, wenige kWh speichernde Batterie dient als Puffer für den als Antrieb des Fahrzeugs eingesetzten Elektromotor.

Detaillierte Simulation von Zündungsvorgängen

Detaillierte Simulation von Zündungsvorgängen

Die derzeit gebräuchlichen CFD-Modelle für Zündung und Verbrennung liefern nicht den erforderlichen Detaillierungsgrad, um die Physik des Funkenüberschlags auf Grund des elektrischen Feldes, die anfängliche Flammenkernentwicklung, die Flammenausbreitung, eventuelles Flammenlöschen, mögliches Klopfen und die Emissionen genau vorherzusagen. Um die Modellierung in diesen Bereichen signifikant zu verbessern, werden physik-basierte Zündungsmodelle und innovative Reaktionskinetik entwickelt und in AVL FIRE getestet. Dabei werden unter anderem der Ort des Funkenüberschlags, die Bewegung der Ankerpunkte des Lichtbogens über die Elektrodenflächen, die Auslenkung des Funkes und die Energie im Funken berücksichtigt.