Minderung von treibhausgas-relevanten Emissionen in Biogasmotoren - miniCO2MET

Abstract

Projektbeschreibung: Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden Strategien zur „Reduzierung der Methan- und Stickoxid-Emissionen in Biogasmotoren mit optimierten Zündkonzepten“ untersucht. Bei Biogasmotoren sind insbesondere die hohen Methan-Emissionen zu nennen, die ein 25-fach höheres Treibhausgas-Potential (GWP) aufweisen und damit dem CO2-Vorteil der Biogasverbrennung entgegenstehen. In diesem Zusammenhang werden Brennverfahren mit Vorkammerzündung untersucht, die ein Treibhausgas-Reduktionspotential gegenüber konventionellen Zündverfahren aufweisen. Als Forschungshypothese wird formuliert, dass der Einsatz von Vorkammerzündstrategien gerade bei schwer entzündlichen Biogasen in Biogasmotoren für BHKW-Anwendungen vorteilhaft ist, um eine schnelle und vollständige Verbrennung zu begünstigen. Wichtig ist dies insbesondere bei schwankenden Gasqualitäten oder Mager-Brennverfahren. Der Forschungsinhalt im Vorhaben liegt einerseits in einer genauen experimentellen Vermessung der Vorgänge in einem optisch zugänglichen Einzylinder-Forschungsmotor, der mit einer aktiven gespülten Vorkammer ausgestattet ist. Dabei sollen die Einflüsse der Vorkammergeometrie und -randbedingungen auf die Zündung und Verbrennung erfasst werden. Zusätzlich sollen die Ergebnisse an einem Thermodynamik-Motor validiert und Abgasemissionsmessungen durchgeführt werden. Andererseits soll ein numerisches 3D Berechnungsmodell entwickelt und anhand der detaillierten Messungen validiert werden, welches in Zukunft eine Übertragung auf andere Gasmotorgrößen und -geometrien erlaubt. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich potentiell direkt in bestehende Biogasmotoren für BHKW-Anwendungen umsetzen, z.B. durch Umrüstlösungen bestehender Zündanlagen. Projektergebnisse: Es wurden insgesamt 7 verschiedene Vorkammergeometrien ausgelegt und untersucht. Dabei hat sich der Differenzdruck zwischen Vorkammer und Hauptbrennraum als Hauptparameter herausgestellt, der die Zündung und Flammenausbreitung beeinflusst. Er wird im Wesentlichen durch die Vorkammergeometrie (A/V-Verhältnis) und das in der Vorkammer gewählte Gemisch bestimmt. Im Rahmen der Versuche konnten zwei Arten von Betriebsgrenzen für die aktive Vorkammerzündung identifiziert werden. Ist der Differenzdruck zu klein, so ist die Fackelaustrittsgeschwindigkeit und damit Turbulenzerzeugung im Hauptbrennraum gering, sodass die Flammenausbreitung zu langsam wird. Gerade bei mageren Gemischen ist diesem Limit dadurch zu begegnen, dass in der Vorkammer ein fetteres Gemisch gewählt wird. Ist der Differenzdruck zu groß, entstehen hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Überströmbohrungen und es tritt ein Verlöschen der Fackeln auf. Von den gewählten Vorkammergeometrien zeigten die Varianten mit den größeren Bohrungen im gesamten Parameterbereich einen stabilen Betrieb ohne Fehlzündungen. Die Emissionsmessungen haben gezeigt, dass bei Abmagerung des Hauptkammergemisches die NOx-Emissionen sinken und die Methanemissionen und der Wirkungsgrad ansteigen. Dieser Zielkonflikt muss unter Beachtung gesetzlicher Grenzwerte abgewägt werden. Insgesamt konnte dargestellt werden, dass die Zündung von Biogas mit einem Methananteil von 60 % Vol mit Vorkammerkonzept stabil funktioniert und Potential für sparsame Magerbetriebspunkte bietet, an denen sowohl die NOx-Emissionen als auch der Kraftstoffverbrauch minimiert werden können. Zudem konnte eine detaillierte dreidimensionale Simulationsmethodik auf Basis der zeitabhängigen RANS CFD-Methodik entwickelt werden, die für Biogasmotoren relevante neue Teilmodelle enthält. Sie konnte im Detail anhand der Messungen validiert werden. Ein Übertrag auf andere Motorgeometrien und -größen ist mit der Methodik der 3D-CFD gut möglich. Datei-Upload durch TIB Project objective: As part of the research project, strategies for "reducing methane and nitrogen oxide emissions in biogas engines with optimized ignition concepts" are being investigated. In the case of biogas engines, the high methane emissions are particularly noteworthy, which have a 25 times higher greenhouse gas potential (GWP) and thus counteract the CO2 advantage of biogas combustion. In this context, combustion processes with prechamber ignition are being investigated, which have a greenhouse gas reduction potential compared to conventional ignition processes. The research hypothesis is that the use of pre-chamber ignition strategies is advantageous, especially for difficult-to-ignite biogases in biogas engines for CHP applications, in order to promote rapid and complete combustion. This is particularly important with fluctuating gas qualities or lean-burn combustion processes. The research content of the project lies on the one hand in a precise experimental measurement of the processes in an optically accessible single-cylinder research engine that is equipped with an active, scavenged pre-chamber. The aim is to determine the influence of the pre-chamber geometry and boundary conditions on ignition and combustion. In addition, the results are to be validated on a thermodynamic engine and exhaust emission measurements are to be carried out. On the other hand, a numerical 3D calculation model is to be developed and validated using the detailed measurements, which will allow transfer to other gas engine sizes and geometries in the future. The findings can potentially be implemented directly in existing biogas engines for CHP applications, e.g. by converting existing ignition systems. Project results: A total of 7 different pre-chamber geometries were designed and investigated. The differential pressure between the pre-chamber and the main combustion chamber turned out to be the main parameter that influences ignition and flame propagation. It is essentially determined by the pre-chamber geometry (A/V ratio) and the mixture selected in the pre-chamber. During the tests, two types of operating limits for active pre-chamber ignition were identified. If the differential pressure is too small, the flame exit speed and thus turbulence generation in the main combustion chamber is low, so that flame propagation becomes too slow. Especially with lean mixtures, this limit can be countered by selecting a richer mixture in the pre-chamber. If the differential pressure is too large, high flow velocities arise in the overflow holes and the flames extinguish. Of the pre-chamber geometries selected, the variants with the larger holes showed stable operation without misfires across the entire parameter range. The emission measurements have shown that when the main chamber mixture is leaned out, NOx emissions decrease and methane emissions and efficiency increase. This conflict of objectives must be weighed up in compliance with legal limits. Overall, it was shown that the ignition of biogas with a methane content of 60% vol with a pre-chamber concept works reliably and offers potential for economical lean operating points at which both NOx emissions and fuel consumption can be minimized. In addition, a detailed three-dimensional simulation methodology was developed based on the time-dependent RANS CFD methodology, which contains new sub-models relevant for biogas engines. It was validated in detail using the measurements. Transfer to other engine geometries and sizes is easily possible with the 3D CFD methodology.