AmmoniaMot - Regenerativ erzeugtes Ammoniak als Kraftstoff der Zukunft für Marine-Verbrennungsmotoren in einer dekarbonisierten Welt

Abstract

Im Rahmen des Forschungsvorhabens AmmoniaMot wurden am Lehrstuhl für Thermodynamik kombinierte experimentelle und numerische Grundlagenuntersuchungen zur Verbrennung mittels der mit Diesel pilotierten Hochdruck Direkteinspritzung (HPDF) von Ammoniak durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurde dabei eine schnelle Kompressions-Expansions-Maschine (RCEM) verwendet. Numerische Berechnungen wurden mittels CFD Simulationen auf Basis detaillierter Chemie durchgeführt. Als Basis für alle Untersuchungen konnte initial gezeigt werden, wie sich das ternäre Gemisch n-Heptan, Ammoniak und Luft kinetisch verhält. So konnte ein Reaktionsmechanismus für die Dual-Fuel Verbrennung von Ammoniak und Diesel erstellt werden, der über einen weiten Bereich an motorisch relevanten Randbedingungen gute Ergebnisse liefert. Im Rahmen von experimentellen Untersuchungen konnte zunächst die Machbarkeit des Brennverfahrens aufgezeigt werden. Es wurde deutlich, dass der Strahlinteraktion des Pilotkraftstoffs Diesel mit dem Hauptkraftstoff Ammoniak eine zentrale Bedeutung zukommt. So konnte gezeigt werden, dass eine nahezu vollständige Verbrennung des Ammoniaks nur dann möglich ist, wenn der Dieselstrahl frei in Luft zünden kann und darauffolgend eine starke Interaktion mit Ammoniak stattfindet. Optische Untersuchungen deckten auf, dass die Ammoniakflamme in dem vorhandenen Versuchsaufbau keine stabilisierte Flamme ausbildet sondern langsam vom Injektor abdriftet. Dieses Phänomen konnte auch numerisch bestätigt werden. Diesel Postinjektionen konnten die hieraus entstehenden Probleme, wie mangelnder Ausbrand des Ammoniaks stromaufwärts der Flammenfront, mindern. Das entwickelte CFD Simulationsverfahren konnte den Brennverlauf, die Flammenausbreitung und die Emissionen der Experimente in der RCEM gut abbilden. Aufbauend auf dem anhand der RCEM validierten Simulationsmodell konnten auch die beim Projektpartner WTZ durchgeführten Experimente im Einzylindermotor zufriedenstellend berechnet werden. Das Simulationsmodell eignet sich somit als Ausgangsbasis für die weitere Motorenentwicklung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Projektziele erreicht werden konnten und ein signifikanter Mehrwert entstanden ist. Hervorzuheben ist das generierte grundlegende Verständnis zum Brennverfahren, das für zukünftige Entwicklungsschritte von HPDF Ammoniakmotoren essentiell sein wird.

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