Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die Hauptantragsteller arbeiten im SCCER Mobility Area A2 (Chemical Energy carriers) eng zusammen und möchten mit diesem Projekt neues Wissen für hocheffiziente Gasmotoren erarbeiten. Die Arbeiten fokussieren auf die Bereiche Hochdruckgaseindüsung, neue Zündverfahren und neue Ansätze der Abgasrückführungsregelung. Ziel ist es, umsetzbare Lösungen für sehr emissionsarme Gasmotoren mit dieselähnlichen Wirkungsgraden zu schaffen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The main applicants are working closely together in SCCER Mobility Area A2 (Chemical Energy carriers) and want to use this project to develop new knowledge for highly efficient gas engines. The work focuses on the areas of high-pressure gas injection, new ignition processes and new approaches to exhaust gas recirculation control. The aim is to create practicable solutions for very low-emission gas engines with diesel-like efficiencies.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Les principaux demandeurs travaillent en étroite collaboration au sein du SCCER Mobility Area A2 (Chemical Energy carriers) et souhaitent, grâce à ce projet, développer de nouvelles connaissances pour les moteurs à gaz à haut rendement. Les travaux se concentrent sur les domaines de l'injection de gaz à haute pression, des nouveaux procédés d'allumage et des nouvelles approches de la régulation de la recirculation des gaz d'échappement. L'objectif est de créer des solutions réalisables pour des moteurs à gaz à très faibles émissions avec des rendements similaires à ceux du diesel.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Methan ist ein hervorragender Treibstoff für Verbrennungsmotoren. Er ist sehr klopffest und unbedenkliche Schadstoffemissionsniveaus sind mit weniger komplexem Abgasnachbehandlungs-aufwand realisierbar als bei Kohlenwasserstoffen mit langkettiger oder zyklischer Struktur. Fossiles Erdgas hat, aufgrund seines höchsten Wasserstoffanteiles aller Kohlenwasserstoffe, bereits einen deutlichen CO2 Vorteil gegenüber Benzin oder Diesel. Zudem kann Methan, was für zukünftige Anwendungen besonders wichtig ist, vergleichsweise einfach und wirtschaftlich aus erneuerbaren Quellen erzeugt werden.
Heutige Serien-Gasmotoren basieren üblicherweise auf Benzinmotoren im PW-Bereich oder auf Dieselmotoren im LKW- sowie Stationär-Bereich und sind nur bedingt auf die Eigenschaften von Methan angepasst. Stand der Technik ist die vorgemischte Verbrennung von Methan, gezündet mit einem klassischen induktiven Zündsystem. Im Rahmen dieses Projektes werden neue Zünd-, Brenn- und Regelungsverfahren erforscht welche Grundlagen für eine Entwicklung von effizienteren und schadstoffarmen Gasmotoren in verschiedensten Anwendungen ermöglichen. Entsprechend viel Wert wurde im Projekt auch auf wissenschaftliche Veröffentlichungen gelegt.
Das Projekt ist in drei Arbeitspakete (WP) gegliedert: WP1 behandelt neue Zündverfahren sowie spektroskopische Methoden zur Diagnostik, WP2 behandelt regelungstechnische Aspekte von Abgasrückführung (AGR) mit Fokus auf transienten Motorbetrieb und WP3 behandelt Grundlagen der Gemischbildung und Verbrennung inklusiv der Betrachtung von diffusionskontrollierten Prozessen.
Das Schlüsselelement zur Effizienzsteigerung bei Gasmotoren ist die Realisierung einer diesel-ähnlichen Verbrennung, welche durch Verdünnung (Luftüberschuss oder AGR) in Kombination mit hohen Verdichtungsverhältnissen charakterisiert wird. Bleibt man bei gut vorgemischten Systemen ist die Verdünnung für fremdgezündete Systeme sehr anspruchsvoll. Einerseits ist die Zündung selbst schwierig und andererseits muss die Verdünnung sehr genau kontrolliert werden damit, besonders im transienten Betrieb, keine Verbrennungsaussetzer erfolgen. Verlässt man den klassischen Ansatz der gut vorgemischten Systeme sind die in-Zylinder Gemischbildung (Strahlphysik, Ladungsbewegung, Diffusion) sowie die Selbstzündungseigenschaften von essentieller Bedeutung.
Im Bereich der Zündverfahren (WP1) zeigte ein Nanosekunden-Zündsystem, welches in verschieden-en Versuchsträgern (inkl. einem Vollmotor) eingesetzt wurde, deutliche Vorteile bei der Zündung verdünnter Gemische. Durch die Zündung mittels extrem kurzer repetitiver Pulse, welche sogenannte nicht-thermische Plasmen erzeugen, können solche schwer entflammbare Gemische robust gezündet werden. Für die Erforschung der Flammausbreitung bei Nanosekunden-Zündung konnten aussage-kräftige Versuche an einer Zündungszelle sowie an einer optisch zugänglichen Vorkammer durchge-führt werden. Vergleichende Untersuchungen haben gezeigt welche Pulsenergien, welche Anzahl von Pulsen sowie welche Pulswiederholfrequenz eine vorteilhafte Flammkernentwicklung unter verdünnten Bedingungen ermöglichen. Die erarbeiteten Grundlagen geben neue Freiheitsgrade für die Auslegung zukünftiger effizienterer Verbrennungssysteme. Im Rahmen des Projektes wurden zudem minimal-invasive spektroskopische Methoden entwickelt um Informationen über die Gemischzusammen-setzung aus der Lichtemission des gepulsten nicht-thermischen Plasmas zu extrahieren. Diese Methodik kann für die zukünftige Gemischbildungsauslegung ein wichtiges Werkzeug sein. Zudem konnte das elektrische System modelliert und validiert werden, inklusive eines neuen Ansatzes für die Detektion einer erfolgreichen Zündung.
Im Bereich der Ladungsverdünnung (WP2) wurde im Projekt Grundlagen zur modellprädiktive Regelung der Abgasrückführung erarbeitet. Abgasrückführung kann hochdruck- und/oder niederdruckseitig des Turboladers erfolgen. Beide Rückführpfade unterscheiden sich sehr in Bezug auf Dynamik sowie Linearität, wie auch bezüglich ihrer Anwendbarkeit je nach Motorbetriebspunkt. Die Anwendung einfacher und etablierter (d.h. single-input/single-output) Regelungsverfahren ist hier nicht zielführend. Solche einfachen Ansätze berücksichtigen einerseits Querkopplungen nicht und führen dadurch zu grossen Abweichungen. Andererseits bedürfen sie einem enormen experimentellen Anpassungsaufwand und sind praktisch nicht von einem Motor auf einen anderen übertragbar. Im Rahmen dieses Projektes wurden deshalb erfolgreich modellprädiktive Ansätze entwickelt und an verschiedenen Versuchsträgern validiert welche die physikalischen Zusammenhänge in den Luft- und Abgaspfaden berücksichtigen und eine sehr gute Regelungsgüte mit minimalem Anpassungsaufwand ermöglichen.
Für die Hochdruckgaseinblasung wurden in WP3 umfangreiche Untersuchungen durchgeführt in der Hochdruck-Hochtemperatur-Zelle unter nichtreaktiven als auch bei selbstzündenden Bedingungen. Hierzu gelangte ein Prototypen-Injektor zum Einsatz in Kombination mit einem Druckverstärker, welcher maximale Einspritzdrücke bis 500 bar ermöglichte. Die Spraymorphologie wurde experimentell mittels bildgebenden Schlieren Verfahren für zahlreiche Einspritz- und Gegendruck-kombinationen charakterisiert; mittels Tracer-LIF konnten ausserdem quantitative Verteilungen der Kraftstoffkonzentration gemessen werden. Die Verwendung einer Vorverbrennung gestatte es auch selbstzündende Bedingungen zu erreichen. Parallel dazu wurden Simulationsverfahren für die Hochdruck-Gaseinblasung bei motorischen Bedingungen entwickelt und anhand der Experimente ausgiebig validiert. Dabei stellte sich die Berücksichtigung des Realgasverhaltens als absolut zentral heraus für die korrekte Vorhersage des Eindringverhaltens des Sprays, des Mischungsfelds und auch bzgl. der für die Zündung wichtige Temperaturverteilung.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Methane is an excellent fuel for internal combustion engines. It is very knock resistant and harmless pollutant emission levels can be achieved with less exhaust gas aftertreatment effort than with hydrocarbons which have a long-chain or a cyclic structure. Fossil natural gas, due to its highest hydrogen content of all hydrocarbons, already has a significant CO2 advantage over gasoline or diesel. In addition, methane, which is particularly important for future applications, can be produced comparatively easily and economically from renewable sources.
Today's series-produced gas engines are usually based on gasoline engines in the passenger car sector or on diesel engines in the truck and stationary sectors and are only adapted to the properties of methane to a limited extent. State of the art is the premixed combustion of methane, ignited with a classical inductive ignition system. Within the framework of this project, new ignition, combustion and control processes are being researched which will provide the basis for the development of more efficient and low-emission gas engines in a wide range of applications. Accordingly, great importance was given to scientific publications.
The project is divided into three work packages (WP): WP1 deals with new ignition processes as well as spectroscopic methods for diagnostics, WP2 deals with control aspects of exhaust gas recirculation (EGR) with a focus on transient engine operation, and WP3 deals with fundamentals of mixture formation and combustion including the consideration of diffusion-controlled processes.
The key element to increase efficiency in gas engines is the realization of a diesel-like combustion, which is characterized by dilution (excess air or EGR) in combination with high compression ratios. Staying with well-premixed systems, dilution for spark-ignited systems is very challenging. On the one hand, ignition itself is difficult and, on the other hand, dilution must be very precisely controlled to avoid combustion misfires, especially in transient operation. Leaving the classical approach of well-premixed systems, the in-cylinder mixture formation (jet physics, charge motion, diffusion) as well as the auto-ignition properties are of essential importance.
In the field of ignition processes (WP1), a nanosecond ignition system, which was used in different test vehicles (including a full engine), showed clear advantages in the ignition of diluted mixtures. Ignition by means of extremely short repetitive pulses, which generate so-called non-thermal plasmas, enables robust ignition of such mixtures that are difficult to ignite. For the investigation of flame propagation with nanosecond ignition, meaningful experiments could be carried out on an ignition cell as well as on an optically accessible prechamber. Comparative investigations have shown which pulse energies, which number of pulses as well as which pulse repetition frequency enable an advantageous flame core development under diluted conditions. The project also developed minimally invasive spectroscopic methods to extract information about the mixture composition from the light emission of the pulsed non-thermal plasma. This methodology can be an important tool for future mixture formation design. In addition, the electrical system could be modeled and validated, including a new approach for the detection of successful ignition.
In the field of charge dilution (WP2), the project developed basic principles for model-predictive control of exhaust gas recirculation. Exhaust gas recirculation can take place on the high-pressure and/or low-pressure side of the turbocharger. Both feedback paths differ greatly in terms of dynamics and linearity, as well as in terms of their applicability depending on the engine operating point. The application of simple and established (i.e. single-input/single-output) control methods is not expedient here. On the one hand, such simple approaches do not consider cross-couplings and thus lead to large deviations. On the other hand, they require an enormous experimental adaptation effort and are practically not transferable from one engine to another. Within the scope of this project, model predictive approaches were therefore successfully developed and validated on various test vehicles, which take into account the physical interrelationships in the air and exhaust gas paths and enable very good control quality with minimal adaptation effort.
For high-pressure gas injection, extensive investigations were carried out in WP3 in the high-pressure, high-temperature cell under non-reactive as well as self-igniting conditions. For this purpose, a prototype injector was used in combination with a pressure booster, which allowed maximum injection pressures of up to 500 bar. The spray morphology was characterized experimentally by means of imaging Schlieren techniques for numerous injection and backpressure combinations; tracer LIF was also used to measure quantitative distributions of fuel concentration. The use of precombustion also allowed self-igniting conditions to be achieved. In parallel, simulation procedures for high-pressure gas injection at engine conditions were developed and extensively validated on the basis of experiments. The consideration of the real gas behavior turned out to be absolutely central for the correct prediction of the spray penetration behavior, the mixing field and also with regard to the temperature distribution, which is important for ignition.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le méthane est un excellent carburant pour les moteurs à combustion. Il est très résistant au cliquetis et des niveaux d'émission de polluants inoffensifs peuvent être atteints avec un traitement des gaz d'échappement moins complexe que celui des hydrocarbures à longue chaîne ou à structure cyclique. En raison de sa teneur en hydrogène la plus élevée de tous les hydrocarbures, le gaz naturel fossile présente déjà un net avantage en termes de CO2 par rapport à l'essence ou au diesel. De plus, le méthane peut être produit de manière relativement simple et économique à partir de sources renouvelables, ce qui est particulièrement important pour les applications futures. Les moteurs à gaz de série actuels sont généralement basés sur des moteurs à essence dans le domaine des voitures particulières ou sur des moteurs diesel dans le domaine des poids lourds et des véhicules stationnaires et ne sont que partiellement adaptés aux propriétés du méthane. L'état de la technique est la combustion prémélangée du méthane, allumée par un système d'allumage inductif classique. Dans le cadre de ce projet, de nouveaux procédés d'allumage, de combustion et de régulation seront étudiés, ce qui permettra de développer des moteurs à gaz plus efficaces et moins polluants dans les applications les plus diverses. Une grande importance a été accordée aux publications scientifiques dans le cadre du projet. Le projet est divisé en trois groupes de travail (WP) : WP1 traite de nouveaux procédés d'allumage ainsi que de méthodes spectroscopiques de diagnostic, WP2 traite des aspects techniques de régulation de la recirculation des gaz d'échappement (EGR) en se concentrant sur le fonctionnement transitoire du moteur et WP3 traite des bases de la formation du mélange et de la combustion, y compris l'examen des processus à diffusion contrôlée. L'élément clé pour augmenter l'efficacité des moteurs à gaz est la réalisation d'une combustion similaire à celle du diesel, caractérisée par la dilution (excès d'air ou EGR) en combinaison avec des taux de compression élevés. Si l'on s'en tient aux systèmes bien prémélangés, la dilution pour les systèmes à allumage commandé est très exigeante. D'une part, l'allumage lui-même est difficile et, d'autre part, la dilution doit être contrôlée très précisément afin d'éviter les ratés de combustion, en particulier en fonctionnement transitoire. Si l'on sort de l'approche classique des systèmes bien prémélangés, la formation du mélange dans le cylindre (physique du jet, mouvement de la charge, diffusion) ainsi que les propriétés d'auto-allumage sont d'une importance essentielle.
Dans le domaine des procédés d'allumage (WP1), un système d'allumage nanoseconde, utilisé dans différents véhicules d'essai (y compris un moteur complet), a montré de nets avantages lors de l'allumage de mélanges dilués. L'allumage au moyen d'impulsions répétitives extrêmement courtes, qui génèrent ce que l'on appelle des plasmas non thermiques, permet d'allumer de manière robuste de tels mélanges difficilement inflammables. Pour étudier la propagation de la flamme lors de l'allumage nanoseconde, des essais concluants ont pu être réalisés sur une cellule d'allumage ainsi que sur une préchambre accessible par voie optique. Des études comparatives ont montré quelles énergies d'impulsion, quel nombre d'impulsions ainsi que quelle fréquence de répétition des impulsions permettent un développement avantageux du noyau de flamme dans des conditions diluées. Les bases élaborées donnent de nouveaux degrés de liberté pour la conception de futurs systèmes de combustion plus efficaces. Dans le cadre du projet, des méthodes spectroscopiques peu invasives ont également été développées pour extraire des informations sur la composition du mélange à partir de l'émission de lumière du plasma non thermique pulsé. Cette méthodologie peut être un outil important pour la conception future de la formation du mélange. De plus, le système électrique a pu être modélisé et validé, y compris une nouvelle approche pour la détection d'un allumage réussi. Dans le domaine de la dilution de la charge (WP2), le projet a élaboré les bases d'une régulation prédictive du modèle de la recirculation des gaz d'échappement. La recirculation des gaz d'échappement peut se faire du côté haute pression et/ou du côté basse pression du turbocompresseur. Les deux voies de recirculation sont très différentes en termes de dynamique et de linéarité, ainsi qu'en termes d'applicabilité selon le point de fonctionnement du moteur. L'utilisation de méthodes de régulation simples et établies (c'est-à-dire à entrée unique/sortie unique) ne permet pas d'atteindre l'objectif visé. D'une part, de telles approches simples ne tiennent pas compte des couplages transversaux et entraînent donc des écarts importants. D'autre part, elles nécessitent un énorme travail d'adaptation expérimentale et ne sont pratiquement pas transférables d'un moteur à l'autre. Dans le cadre de ce projet, des approches prédictives ont donc été développées avec succès et validées sur différents véhicules expérimentaux. Ces approches tiennent compte des relations physiques dans les trajets de l'air et des gaz d'échappement et permettent d'obtenir une très bonne qualité de régulation avec un effort d'adaptation minimal. Pour l'injection de gaz à haute pression, des études approfondies ont été menées dans la cellule haute pression et haute température du WP3, dans des conditions non réactives et d'auto-allumage. Pour ce faire, un injecteur prototype a été utilisé en combinaison avec un amplificateur de pression, permettant des pressions d'injection maximales de 500 bars. La morphologie du spray a été caractérisée expérimentalement à l'aide d'un procédé d'imagerie en stries pour de nombreuses combinaisons d'injection et de contre-pression ; des répartitions quantitatives de la concentration de carburant ont également pu être mesurées à l'aide de Tracer-LIF. L'utilisation d'une pré-combustion a également permis d'obtenir des conditions d'auto-allumage. Parallèlement, des méthodes de simulation pour l'injection de gaz à haute pression dans les conditions du moteur ont été développées et largement validées à l'aide des expériences. La prise en compte du comportement des gaz réels s'est avérée absolument centrale pour la prédiction correcte du comportement de pénétration du spray, du champ de mélange et de la répartition de la température, importante pour l'allumage.
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