Miller EGR - Entwicklung und Untersuchung eines hocheffizienten und emissionsarmen Otto-Brennverfahrens für Klein-Blockheizkraftwerke

 

Im vorgestellten Vorhaben wird ein alternatives Brennverfahren untersucht, das den Ziel-konflikt zwischen Wirkungsgrad, NOx-Emissionen und indiziertem Mitteldruck für stationär betriebene Gasmotoren entschärfen soll. Es vereint etablierte Einzelmaßnahmen wie frühes/spätes Einlassschließen (Miller-Steuerzeiten), Abgasrückführung (AGR) und homogenen Magerbetrieb.

Beim Saugmotor erfordern die veränderten Steuerzeiten die Anpassung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses (εgeo), um das effektive Verdichtungsverhältnis (εeff) konstant zu halten. Das Gemisch entspannt während dem Expansionstakt auf ein niedrigeres Druckniveau, sodass ein größerer Anteil an Wärme in Arbeit überführt und folglich ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Während ein frühes Einlassschließen (EVS) die Zeitdauer für das Ansaugen an Frischgemisch verringert, findet durch eine Vergrößerung dieser Zeitdauer bei spätem EVS ein Rückströmen in den Einlasstrakt während der Anfangsphase des Verdichtungstakts statt. Beide Effekte verringern den Liefergrad, was bei konstantem Luftverhältnis mit einem Verlust im Mitteldruck einhergeht.

  

 

Ein repräsentativer Vergleich zwischen frühen und späten Miller-Steuerzeiten erfordert ein gleiches effektives Verdichtungsverhältnis, dessen Berechnung beim ausgeführten Motor die Berücksichtigung der Gasdynamik erfordert. Hierzu wird Ansatz angewendet, der auf einer polytropen Zustandsänderung ausgehend von EVS in Richtung UT (der Kompression entgegengesetzte Richtung) beruht. Ein ähnliches Vorgehen findet bei der Bestimmung der Kompressionsverluste bei der Verlustanalyse bzw. Verlustteilung Verwendung. Entgegen der Verlustanalyse, bei der polytrop bis zum geometrischen UT zurückgerechnet wird, ist bei der Bestimmung von ɛeff das vorliegende Volumen der Polytropen bei Umgebungsdruck (VBDC eff) von Interesse. Wird dieses anschließend durch das Kompressionsvolumen dividiert, erhält man das effektive Verdichtungsverhältnis. Bei EVS vor UT entspricht VBDC eff dem vorliegenden Volumen bei dem der Zylinderdruck den Umgebungsdrucks in der Kompressionsphase erreicht.

Im ersten Schritt wurden die Steuerzeiten numerisch mit der Motorprozesssimulation AVL BOOST untersucht, um diese anschließend mit der Mehrkörpersimulation AVL Excite auszulegen (www.avl.com). Folgende Abbildung zeigt das p,V-Diagramm bei frühem und spätem Einlassschließen mit vergleichbarem effektiven Verdichtungsverhältnis am ausgeführten Motor (gleiches λ und X50%).

 

Näheres zu den Arbeiten kann der zum Download verfügbaren Veröffentlichung entnommen werden.
Dissertation Denis Neher

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Maurice Kettner

Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik
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