Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Wasserstoff wird für gewisse Segmente des Energiesystems (insbes. heavy-duty, off-road und dezentrale WKK) zur Erreichung der Ziele der Energiestrategie 2050 ein wichtiger Baustein. Gegenüber PEMBrennstoffzellen haben Verbrennungsmotoren Vorteile bzgl. Lebensdauer, Investitionskosten, Wärmemanagement und Kraftstoff-Flexibilität (H2/CH4 Gemische). Herkömmliche H2-Verbrennungsmotoren verwenden meist sehr mager vorgemischte Brennverfahren mit div. Nachteilen. Dieses Projekt hatzum Ziel, Verbrennungsmotoren für Schwerlastanwendungen mit Effizienzniveaus von PEM Brennstoffzellen darzustellen. Die Kraftstoffum-wandlung soll dabei überwiegend im geschichteten, strahlgeführtenModus erfolgen, womit eine λ=1 Verbrennung mit nahezu Null-Emissionen erreicht werden kann, ohne die üblichen Klopfbegrenzungen konventioneller Brennverfahren. Das Projekt verfolgt hierzu Messungen in einem optischen Versuchsträger anhand dessen 3D-CFD Modelle entwickelt/validiertwerden kombiniert mit Motormessungen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Hydrogen constitutes an important building block for certain energy sectors (heavy-duty, off-road and decentralised CHP) towards achieving the goals of the energy strategy 2050. This project focuses on H2 internal combustion engines (ICE), which have advantages over PEM fuel cells concerning service life, investment costs, thermal management and fuel flexibility (H2/CH4 admixtures). Conventional H2- ICE employ very lean premixed combustion, with various drawbacks. This project seeks to demonstrate ICE combustion with comparable efficiency as PEM fuel cells specifically for heavy-duty applications with fuel conversion predominantly in a stratified, jet-guided mode; enabling combustion at λ=1 with nearly zero emissions and without the knock limitations of conventional combustion processes especially at high loads. To this end, the project pursues measurements in an optical test bed on the basis of which 3D-CFD models are developed/validated combined with full metal engine measurements.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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L'hydrogène devient un élément important pour certains segments du système énergétique (en particulier les véhicules lourds, les véhicules tout-terrain et le CCF décentralisé) afin d'atteindre les objectifs de la stratégie énergétique 2050. Par rapport aux piles à combustible PEM, les moteurs à combustion présentent des avantages en termes de durée de vie, de coûts d'investissement, de gestion thermique et de flexibilité du carburant (mélanges H2/CH4). Les moteurs à combustion H2 traditionnels utilisent généralement des procédés de combustion pré-mélangés très pauvres, avec divers inconvénients. Ce projet a pour objectif de présenter des moteurs à combustion pour des applications lourdes avec des niveaux d'efficacité des piles à combustible PEM. La conversion du carburant doit se faire principalement en mode stratifié et guidé par faisceau, ce qui permet d'obtenir une combustion λ=1 avec des émissions quasi nulles, sans les limites habituelles des procédés de combustion conventionnels. Le projet prévoit des mesures dans un support d'essai optique à l'aide duquel des modèles CFD 3D seront développés/validés en combinaison avec des mesures du moteur.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Grüner Wasserstoff ermöglicht Fahrzeugantriebe ohne Treibhausgas-Emissionen am Auspuff: Hierzu wird Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle verstromt und treibt dann einen Elektromotor an. Oder der Wasserstoff wird mit einem Verbrennungsmotor direkt in mechanische Energie umgesetzt. Forscherinnen und Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf haben mit deutschen Partnern ein neues Brennverfahren für einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor erforscht. Ziel ist der Einsatz in Nutzfahrzeugen.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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L’hydrogène vert permet de propulser des véhicules sans émissions de gaz à effet de serre au niveau du pot d’échappement : pour ce faire, une pile à combustible transforme l’hydrogène en électricité, laquelle actionne alors un moteur électrique. Une alternative consiste à transformer l’hydrogène directement en énergie mécanique avec un moteur à combustion. Des chercheurs du Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa) de Dübendorf ont étudié, en collaboration avec des partenaires allemands, un nouveau procédé de combustion pour un moteur à combustion hydrogène, l’objectif étant de l’utiliser dans des véhicules utilitaires.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Wasserstoff-Verbrennungsmotoren sind eine attraktive Lösung für gewisse schwierig zu elektrifizierende Anwendugen. Sie bauen auf robuster, kostengünstiger und langlebiger Technik auf. Zudem sind sie, im Gegensatz zu Brennstoffzellen, sehr tolerant in Bezug auf die Treibstoffreinheit und sie ertragen problemlos Anwendungen mit hohen Vibrationen, wie sie beispielsweise bei Baumschinen vorkommen. Um NOx Emissionen zu minimieren sowie um Klopfen und Vorentflammungen zu vermeiden, werden die Motoren sehr mager betrieben, typischerweise bei λ Werten über 2. Dies bringt Herausforderungen bezüglich der Aufladung, der Verbrennungsspitzendrücke sowie der Leistungsdichte mit sich. Um dies zu umgehen wäre also ein Brennverfahren vorteilhaft, welche sehr magere Verbrennung umgeht, allerdings ohne zu Klopf- oder Vorentflammungsproblemen zu führen. Dieses Projekt befasst sich mit einem solchen Ansatz für effiziente H2-Verbrennungsmotoren hoher Leistungsdichte. H2 soll dazu direkt in den Brennraum eingeblasen und an der Strahlperipherie fremdgezündet werden, wobei die anschliessende Kraftstoffumwandlung überwiegend im geschichteten, strahlgeführten Modus erfolgt. Dabei soll das Potenzial für eine Verbrennung gegen λ=1, ohne die üblichen Klopfbegrenzungen, eröffnet werden. Dies, weil die Gemischbildung so gestaltet ist, dass eine Vormischung weitgehend vermieden wird. Das Hauptaugenmerk des Projekts liegt auf einem vertieften Verständnis der physikalisch-chemischen Prozesse, welche die Verbrennungsmodi von Wasserstoff bestimmt, basierend auf einem kombinierten experimentellen und numerischen Ansatz. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse und Werkzeuge dienen der späteren Umsetzung solcher Verbrennungskonzepte, was v.a. im Bereich der Stationärmotoren (z.B. Wärme-Kraft-Kopplung) sowie der schweren Nutzfahrzeuganwendungen relevant ist. Das Projekt kann als Erfolg bezeichnet werden: es ist gelungen, das Gemischbildungs- und Brennverfahren wie gewünscht umzusetzen. Die Arbeiten am sogenannten Einhubtriebwerk, ein Versuchsträger mit optischen Zugang, haben gezeigt, dass eine hauptsächlich diffusionsgesteuerte Verbrennung von Wasserstoff möglich ist. Dies eröffnet Wasserstoffmotoren das Potenzial, Wirkungsgradmässig auf Diesel-Niveau zu kommen. Dass das Brennverfahren funktioniert, konnte an einem Einzylinder-Versuchsmotor der Universität Stuttgart demonstriert werden. Mit Hilfe der begleitenden numerischen Forschung wurde zudem gezeigt, welche Prozesse dabei eine Rolle spielen. So wurde im Rahmen dieses Projekes die Grundlage für ein komplett neues Brennverfahren für Wasserstoff gelegt. Zukünftige Forschungsarbeiten können nun das Ziel verfolgen, dieses grundlegende Verständnis in Richtung echtem motorischem Betrieb zu entwickeln. Dies umfasst beispielsweise das Verständnis bzw. die Optimierung von Injektorgeometrie, die Wahl der Ladungsbewegung, die Auslegung von Distanzen zwischen Injekttor und Zündquelle sowie die Gestaltung des Zündvorganges. Für die Schweizer Situation wurde identifiziert, dass die Schweiz Waserstoff-Versorgungspfade aus Gebieten, welche reicht an erneuerbaren Ressourcen sind, entwickeln sollte. Technologien dafür sind recht weit entwickelt, es fehlt aber an grossen Umsetzungsprojekten aufgrund fehlender Investitionssicherheit, bzw. aufgrund eines zu tiefen "Policy-Radyness-Levels".
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Schlussbericht
(Englisch)
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Hydrogen combustion engines are an attractive solution for certain applications that are difficult to electrify. They are based on robust, cost-effective and durable technology. In addition, unlike fuel cells, they are very tolerant in terms of fuel purity and can easily withstand applications with high vibrations, such as those found in construction machinery. To minimize NOx emissions and to avoid knocking and preignition, the engines are operated at very lean conditions, typically at λ values above 2. This poses challenges in terms of turbocharging, peak combustion pressures and power density. To avoid this, a combustion process that avoids very lean combustion, but without leading to knocking or preignition problems, would therefore be advantageous. This project deals with such an approach for efficient H2 combustion engines with high power density. H2 is to be injected directly into the combustion chamber and externally ignited at the jet periphery, with the subsequent fuel conversion taking place predominantly in stratified, jet-guided mode. The aim is to open up the potential for combustion towards λ=1, without the usual knock limitations. This is because the mixture formation is designed in such a way that premixing is largely avoided. The main focus of the project is on a deeper understanding of the physico-chemical processes that determine the combustion modes of hydrogen, based on a combined experimental and numerical approach. The knowledge and tools gained from the project will be used for the subsequent implementation of such combustion concepts, which is particularly relevant in the field of stationary engines (e.g. combined heat and power) and heavy commercial vehicle applications. The project can be described as a success: the mixture formation and combustion process has been implemented as desired. The work on the so-called rapid-compression-expansion-machine, a test setup with optical access, has shown that a mainly diffusion-controlled combustion of hydrogen is possible. This opens up the potential for hydrogen engines to reach diesel levels of efficiency. The fact that the combustion process works was demonstrated on a single-cylinder test engine at the University of Stuttgart. With the help of the accompanying numerical research, it was also shown which processes play a role. This project thus laid the foundation for a completely new combustion process for hydrogen. Future research work can now pursue the goal of developing this fundamental understanding in the direction of real engine operation. This includes, for example, the understanding and optimization of injector geometry, the choice of charge movement, the design of distances between the injector and ignition source and the design of the ignition process. For the Swiss situation, it was identified that Switzerland should develop hydrogen supply paths from areas that are rich in renewable resources. Technologies for this are quite well developed, but there is a lack of large-scale implementation projects due to a lack of investment security or because the "policy readiness level" is too low.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les moteurs à combustion interne à hydrogène sont une solution intéressante pour certaines applications difficiles à électrifier. Ils reposent sur une technologie robuste, peu coûteuse et durable. De plus, contrairement aux piles à combustible, ils sont très tolérants en ce qui concerne la pureté du carburant et supportent sans problème les applications à fortes vibrations, comme c'est le cas par exemple pour les arboriculteurs. Afin de minimiser les émissions de NOx et d'éviter le cliquetis et le préinflammation, les moteurs fonctionnent de manière très pauvre, typiquement avec des valeurs λ supérieures à 2. Cela pose des défis en termes de suralimentation, de pressions de pointe de combustion ainsi que de densité de puissance. Pour y remédier, il serait donc avantageux d'utiliser un procédé de combustion qui contourne la combustion très pauvre, mais sans entraîner de problèmes de cognement ou de pré-inflammation. Ce projet porte sur une telle approche pour des moteurs à combustion H2 efficaces et à haute densité de puissance. Pour ce faire, H2 doit être injecté directement dans la chambre de combustion et allumé de manière externe à la périphérie du jet, la conversion du carburant qui s'ensuit s'effectuant principalement en mode stratifié et guidé par le jet. Ce faisant, il s'agit d'ouvrir le potentiel d'une combustion vers λ=1, sans les limitations de cliquetis habituelles. Ceci parce que la formation du mélange est conçue de manière à éviter en grande partie un prémélange. L'objectif principal du projet est d'approfondir la compréhension des processus physico-chimiques qui déterminent les modes de combustion de l'hydrogène, en se basant sur une approche expérimentale et numérique combinée. Les connaissances et les outils acquis dans le cadre du projet serviront à la mise en oeuvre ultérieure de tels concepts de combustion, ce qui est particulièrement important dans le domaine des moteurs stationnaires (par ex. couplage chaleur-force) et des applications pour véhicules utilitaires lourds. Le projet peut être qualifié de succès : il a été possible de mettre en oeuvre le procédé de formation du mélange et de combustion comme souhaité. Les travaux sur le "rapid-compression-expansionmachine", un véhicule expérimental avec accès optique, ont montré qu'il est possible de réaliser une combustion de l'hydrogène principalement contrôlée par diffusion. Cela ouvre aux moteurs à hydrogène le potentiel d'atteindre le niveau de rendement du diesel. Le fonctionnement de ce procédé de combustion a pu être démontré sur un moteur d'essai monocylindre de l'université de Stuttgart. La recherche numérique qui l'accompagne a en outre permis de montrer quels processus jouent un rôle dans ce processus. Ainsi, ce projet a jeté les bases d'un tout nouveau procédé de combustion de l'hydrogène. Les travaux de recherche futurs peuvent maintenant avoir pour objectif de développer cette compréhension fondamentale en vue d'un véritable fonctionnement du moteur. Cela comprend par exemple la compréhension ou l'optimisation de la géométrie de l'injecteur, le choix du mouvement de la charge, la conception des distances entre l'injecteur et la source d'allumage ainsi que la conception du processus d'allumage. Pour la situation suisse, il a été identifié que la Suisse devrait développer des filières d'approvisionnement en hydrogène à partir de régions riches en ressources renouvelables. Les technologies sont bien développées, mais les projets de mise en oeuvre à grande échelle font défaut en raison du manque de sécurité des investissements ou d'un niveau de "policy-radyness" trop bas.
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