Schlussbericht
(Deutsch)
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Das vorliegende Projekt beinhaltet eine Simulationsstudie zur Potentialabschätzung eines stationär laufenden wasserstoffbetriebenen Motors für Schwerlast Anwendungen basierend auf einem Gasmotor der Firma Liebherr mit 20 Zylindern und 1MWel-Leistung. Die Simulation stützt sich auf ein GT-Power Model dieses Motors, wobei die Verbrennung sowohl mit Vorkammer – als auch mit konventioneller Zündung auf Basis eines an der ETH entwickelten Models (Diss. K. Bardis, 2020) simuliert wird.
Die Simulationsergebnisse für Methan als Brennstoff und Magerbetrieb wurden mit experimentellen Ergebnissen validiert und die Übereinstimmung war sehr gut. Untersucht wurde anschliessend der Betrieb mit Methan als Magermotor und in stöchiometrischer Ausführung mit AGR, sowie der H2-betriebene Motor ebenfalls eine Mager- und lamda=1+AGR Ausführung. Auf Grund der eingeschränkten Laufzeit des Projektes wurde der Vergleich jeweils an den geschätzten Magerlauf- und Verdünnungsgrenzen (mit AGR) durchgeführt, welche für die beiden Brennstoffe unterschiedlich sind. Ebenfalls wurde das Verdichtungs-Verhältnis des ursprünglichen Motors für alle Fälle beibehalten.
Als Hauptsteuerungsparameter für die Leistung des Motors wurde der Zündzeitpunkt definiert, welcher breit variiert wurde. Als Performance-Kriterien (bei gleichbleibender Leistung von 1MWel entsprechend einem effektiven Mitteldruck von 17bar bei 1’500U/min) wurden der effektive Wirkungsgrad und die NOx-Emissionen gewählt, wobei als zusätzlich einzuhaltende Randbedingungen der maximale Zylinderdruck, das Druckverhältnis am Verdichter des Turboladers, die Abgastemperatur vor Turbineneintritt und die Klopfgrenze herangezogen wurden. Aus den genannten zeitlichen Gründen wurde nur der «perfekt» homogene Betrieb mit Eindüsung des Brennstoffs vor dem Einlassventil, berücksichtigt. Folgende Ergebnisse wurden unter Einhaltung aller kritischen Randbedingungen generiert:
Für den Betrieb mit Methan ergaben sich maximale Wirkungsgrade von 38,5% für den AGR-Bereich unter Einhaltung der NOx-Grenze von 100mg/Nm3 @ 5% O2 und 42% bzw. 39% für den Magerbetrieb ohne bzw. mit Einhaltung dieser NOx-Grenze (Annahme einer Katalysator-NOx-Konversion für den AGR Betrieb). Für den Betrieb mit Wasserstoff ergeben sich innerhalb der Rechen- und Annahmegenauigkeiten absolut ähnliche Werte, allerdings:
• Bei der hier betrachteten Eindüsung im Einlass übersteigt das notwendige Druckverhältnis am Verdichter den Wert von 4.5, wodurch eine einstufige Aufladung für das Erreichen der vorgegebenen Leistung von 1MWel wahrscheinlich nicht ausreichen würde.
• Auf Grund der viel höheren Flammgeschwindigkeit von Wasserstoff und der damit verbundenen Brenndauer liegt der optimale Zündzeitpunkt für H2 deutlich später als derjenige für Methan, dies insbesondere für den stöchiometrischen Betrieb mit AGR.
Die erwähnten Simulationsergebnisse für Wasserstoff gelten jedoch unter dem Vorbehalt der experimentellen Überprüfung gewisser Annahmen in Zusammenhang mit:
- Der Tendenz zur Selbstzündung auf Grund der minimalen Zündenergie von H2 und somit des Einflusses von heissen Oberflächen im Brennraum.
- Den potentiell höheren Wandwärmeverlusten beim Betrieb mit Wasserstoff auf Grund des erwarteten kleineren Löschabstandes der Flammen von der Brennraumwand.
- Gewisser Unsicherheiten in Zusammenhang mit dem effektiven Wert der laminaren Flammgeschwindigkeit von H2-Luft-Gemischen bei motorrelevanten Drücken und Temperaturen.
Es scheint deswegen als sinnvoll, diese ersten Erkenntnisse durch nachfolgende experimentelle Projekte, sowohl im Grundlagenbereich als auch durch Messungen am Vollmotor zu ergänzen und zu untermauern. Dies gilt insbesondere für die Anwendung der direkten H2-Eindüsung im Vergleich zur indirekten.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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A simulation study has been performed in order to evaluate the performance of a stationary 1MWel-internal combustion engine for heavy duty applications fuelled with hydrogen in comparison to the same engine fuelled with methane. Two operating modes for each fuel have been considered, namely first at the lean burn limit and second with stoichiometric mixtures and at the dilution limit with Exhaust Gas Recirculation (EGR).
This comparative evaluation employed a GT-Power model for the flow and thermodynamic process, complemented by a phenomenological model to describe in detail the power cycle (including combustion) with both pre-chamber (PC) and open-chamber (OC) ignition, which was developed in LAV, ETH (Diss. K. Bardis, 2020). The main criterion of performance is the net thermodynamic efficiency achieved by the engine at each operating mode and with each fuel, while respecting important boundary conditions and operating limits such as the peak cylinder pressure, the burnt gas temperature at the exhaust turbine inlet, the avoidance of knock, the maximal pressure ratio across the compressor as well as different NOx-limits according to the actual legislation.
The developed pre-chamber combustion model has shown very good agreement with the experimental results in the methane lean-burn mode. Due to the absence of experimental data for the hydrogen operation it was not possible to validate the model with this fuel. Nonetheless, the simulation of methane lean vs. stoichiometric operation with EGR yields consistent trends when compared against previous experimental studies [22] for heavy duty engines. More precisely, the unconstrained efficiency (without the NOx limit) of methane lean operation is more than 3% (absolute points) higher in comparison to the EGR operation. However, similar efficiency is attained, 39% for the methane lean and 38.5 % for the stoichiometric operation with EGR, respectively, when the NOx limit of 100mg/Nm3 is considered.
When respecting the various limitation, hydrogen operation shows very similar efficiency with the methane operation. One exception is the hydrogen lean operation with open-chamber where the increased NOx emission require a delayed spark timing in comparison to the optimal.
Lean burn operation with H2 and port fuel injection will probably make a 2-stage turbocharger necessary for achieving the required high power densities in the order of a brake mean effective pressure of 17 bar. In contrast, for stoichiometric operation with EGR a single-stage turbo charger is sufficient. The efficiency achieved is relatively high efficiency (37.8% for open-chamber and 39% for prechamber operation) due to the reduced pumping losses in comparison to hydrogen lean operation and the employment of a near optimal spark timing.
The present study constitutes an important step towards the development of hydrogen heavy duty combustion engines and the feasibility of lambda = 1 + EGR operation in comparison to the commonly employed lean burn combustion. Certain key modelling assumptions need to be critically revised in the future and the model needs to be validated extensively once experimental data become available.
Zugehörige Dokumente
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