HCNG-PW

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501224

Schlüsselwörter (Deutsch)

Effizienzsteigerung, C02-Reduktion, erneuerbare Energie, synthetische Treibstoffe, HCNG

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Im Rahmen des vom BFE mitgeförderten CCEM-Projektes „Renewable Energy in the Energy Supply System (RENERG2)“ wird die Beimischung von Wasserstoff an der Erdgas/Biogas-Tankstelle der Empa in Lieferwagen von Mobility Solution im Praxistest untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine Wirkungsgradsteigerung bereits ohne Eingriffe in die Motorsteuerung resultiert.
Im vorliegenden Projekt soll nun untersucht werden, ob diese Wirkungsgradsteigerung verstärkt werden kann, wenn die durch die Wasserstoffbeimischung beschleunigte Entflammung und dadurch „nach früh“ verschobene Schwerpunktlage der Verbrennung mittels Anpassung der Zündkennfelds eines Personenwagens korrigiert wird.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Hydrogen enriched natural gas/biogas is investigated within the CCEM project „Renewable Energy in the Energy Supply System (RENERG²)" in delivery vehicles of Mobility Solutions in a field test. It could be shown, that an efficiency increase is resulting already without adapted engine control System.
Within this project, the impact on efficiency by adaption of the ignition map for constant center of combustion will be investigated.

Schlussbericht (Deutsch)

Im Rahmen dieses Projektes wurde untersucht, ob sich die in Brennverfahrensstudien ermittelten energetischen Verbrauchseinsparungen einer Wasserstoffbeimischung zum Methangas als Treibstoff um bis 25 Mol% in einer konkreten Fahrzeuganwendung mit dynamischen Fahrprofilen bestätigen lassen und wie sich die in Publikationen aufgezeigten, teilweise hohen T.HC- und NOx-Reduktionen mit wasserstoffangereichertem Methangas technisch erklären lassen.

Dazu wurde ein CNG-Fahrzeug (Euro-4) mit einem applizierbaren Motorsteuergerät und einem angepassten Katalysator für den CNG-Betrieb mit 100% Methan und den Betrieb mit Methan/ Wasserstoffgemischen (85 Mol%/15 Mol% und 75 Mol%/25 Mol%) ausgerüstet und auf einem Rollenprüfstand in 2 verschiedenen Fahrprofilen mit insgesamt 7 Teilzyklen betrieben.

Die Untersuchungen zeigten, dass in den gewählten Fahrprofilen energetische Verbrauchseinsparungen um bis 2% realisierbar sind (ohne Anpassungen am Motor). Die Verbrauchseinsparung kann auf die beschleunigte Entflammungsphase zurückgeführt werden. In Summe mit dem geringeren Kohlenstoffgehalt des wasserstoffangereicherten CNGs konnten CO2- Reduktionen um bis 11.3% ermittelt werden (bzw. 28 – 31% niedrigere CO2-Emissionen als im Benzinbetrieb). Berücksichtigt man zudem den Biogasanteil im Tankstellenerdgas von 20%, so wird im HCNG-Betrieb gegenüber dem Benzinbetrieb eine CO2-Minderung von 37 – 41% erreicht.

Des Weiteren wurde festgestellt, dass die T.HC-Emissionen vor und nach Katalysator je nach Teilzyklus um 30 – 60% abnehmen. Diese Abnahme kann mit grosser Wahrscheinlichkeit auf die deutlich geringere Flammlöschdistanz im Brennraum während der Verbrennung von Wasserstoff im Vergleich zu Methan zurückgeführt werden. Im Katalysator konnte keine signifikant erhöhte T.HC-Umwandlung beobachtet werden konnte.

Die NOx-Emissionen vor Katalysator lagen demgegenüber im CNG wie auch im HCNG-Betrieb praktisch gleichauf, nach Katalysator bei wasserstoffangereichertem Methangas jedoch um bis 60% niedriger. Als Ursache für die bessere Katalysatorumwandlung konnte der etwas erhöhte H2-Anteil im Abgas nach Schubphasen identifiziert werden. Dieser bewirkt ein verstärktes Ausräumen des während Schubphasen im Katalysator gespeicherten Sauerstoffs, was zu einer beschleunigten katalytischen Reduktion der Stickoxide im Dreiwegekatalysator führt.

Zugehörige Dokumente

• Projekt HCNG-PW Untersuchung der Wasserstoffbeimischung an einem CNG-Fahrzeug [PDF] 3'146 kB

Schlussbericht (Englisch)

Within this project an investigation was conducted to confirm the energy consumption reduction values shown in combustion process studies when up to 25%vol hydrogen is added to gaseous methane fuel in the concrete case of a road vehicle application, including a dynamic driving profile test. An attempt was made to explain in technical terms how the sometimes high T.HC and NOx reduction reported in the literature is accomplished with hydrogen-enriched methane gas.

To achieve this aim a CNG-powered vehicle (Euro-4) fitted with a adjustable motor control unit and modified catalytic converter adapted for CNG operation with both 100% methane and methane/hydrogen mixtures (85 mol%/15 mol% and 75 mol%/25 mol%) was investigated on a chassis dynamometer. Two different test profiles were run including a total of 7 sub-cycles. The test results showed that, for the driving cycles selected, an energy consumption reduction of up to 2% could be achieved with hydrogen enriched methane without engine adjustments. The reduction in fuel consumption can be attributed to the accelerated ignition phase. In combination with the low carbon content of the hydrogen enriched CNG, a CO2 reduction of up to 11.3% was achieved (or 28 - 31% lower CO2 emissions compared with gasoline operation). Considering also the biogas portion of 20% in the natural gas, a CO2 reduction of 37 - 41% is achieved in HCNG operation compared with gasoline operation.

In addition, it was found that the pre and post catalytic converter T.HC emissions decreased by 30 – 60%, depending on the sub-cycle. This decrease can be ascribed with high probability to the significantly smaller flame extinguishing distance during the combustion of hydrogen in the combustion chamber, compared to that of methane. A significantly higher T.HC conversion in the catalyzer was not seen.

The NOx concentrations measured upstream of the catalytic converter were practically identical for both CNG and HCNG operation. However, downstream of the catalytic converter the values for hydrogen-enriched methane were up to 60% lower. The reason for the improved catalytic conversion was identified to be the somewhat higher H2 concentration in the exhaust gas during idle phases. This enhances the removal of oxygen stored in the catalytic converter during deceleration phases, which results in an increased catalytic reduction of the nitrogen oxides in the three way catalytic converter.

Schlussbericht (Französisch)

Dans ce projet, on a étudié si les économies de consommation énergétique apportées par une adjonction atteignant jusqu'à 25% d'hydrogène au méthane utilisé comme carburant, constatées dans des études de procédés de combustion, étaient confirmées avec une utilisation concrète d'un véhicule avec un cycle de conduite dynamique et comment les réductions en partie élevées des émissions de T.HC et de NOx que cette adjonction entraîne pouvaient s'expliquer sur le plan technique.

Pour cela, un véhicule CNG (Euro-4), équipé d'une unité de contrôle électronique du moteur adéquate et d'un catalyseur adapté pour le fonctionnement CNG avec 100% de méthane et pour celui avec un mélange méthane/hydrogène (85 mol%/15 mol% et 75 mol%/25 mol%), a été soumis à des essais sur un banc à rouleaux avec 2 cycles de conduites comprenant au total 7 cycles partiels.

Ces essais ont montré qu'avec les cycles de conduite choisis, les économies de consommation énergétiques réalisables avec ces adjonctions atteignent jusqu'à 2% (sans adaptations du moteur). Ces économies peuvent s'expliquer par l'accélération de la phase d'inflammation. Dans l'ensemble, avec la teneur inférieure en carbone du CNG enrichi en hydrogène, les réductions des émissions de CO2 déterminées atteignaient jusqu'à 11.3% (ou 28 – 31% de moins de CO2 qu’avec essence). Considérant aussi le part de biogaz de 20% dans le gaz naturel, une réduction de CO2 de 37 - 41% est réalisée par rapport avec essence.

Par ailleurs, on a constaté que les émissions de T.HC avant et après le catalyseur diminuaient de 30 à 60% selon le cycle partiel. Cette diminution est très probablement due à la distance d'extinction dans la chambre de combustion nettement plus faible lors de la combustion de l'hydrogène par rapport à celle du méthane. On n'a pas constaté dans le catalyseur d'augmentation significative des T.HC avec l'adjonction d'hydrogène.

Avant le catalyseur, les émissions de NOx étaient pratiquement semblables lors du fonctionnement avec CNG et avec HCNG; par contre elles étaient jusqu'à 60% plus faibles après le catalyseur. La cause de cette meilleure conversion catalytique a été identifiée comme étant la teneur légèrement accrue en hydrogène des gaz d'échappement après la phase de poussée. La phase de poussée provoque une évacuation accrue de l'oxygène accumulé dans le catalyseur ce qui conduit à une accélération de la réduction des oxydes d'azote dans le catalyseur trois voies.