ARCHIV

Michele Schiliro; Raghavendra Hegde; Iulian Vasile
Liebherr Machines Bulle SA, Bulle

Guoqing Xu
Liebherr Machines Bulle SA, Bulle/ETH, Zürich

Kurzfassung
Die Hersteller und Kunden von Gasmotoren streben fortlaufend nach Verbesserungen zur Einhaltung der sich fortwährend verschärfenden Abgasgesetzgebung sowie der Erzielung von Betriebskostenreduzierungen, Wirkungsgraderhöhungen, verbesserter Zuverlässigkeit, verlängerter Wartungsintervalle und sinkender Wartungskosten. Um dieser Situation angemessen zu begegnen, hat die Liebherr Machines Bulle SA (LMB) innerhalb der letzten Jahre unter hohem Ressourceneinsatz die neue G96 Gasmotorenfamilie entwickelt.

Der Zielgerichtete bereits während der Konzeptphase sowie in enger Anbindung mit der Motorkonstruktion über das gesamte G96 Projekt vollzogene Einsatz innovativer virtueller Methoden wie der 1D/3D Simulation der thermodynamischen Vorgänge, 3D FEM – und Mehrkörper Analyse Berechnungen hat die Neuentwicklungen einer allgemein optimierten Kurbelwelle, eines neuen Ventiltriebs sowie eine hinsichtlich ihrer Geometrie optimierten aus Zylinderkopf und Vorkammerkerze bestehenden Einheit ermöglicht, deren Verwendung mit einer Abstimmung der auf dem LIEBHERR Motorsteuergerät implementierten Software eine erhebliche Steigerung des Gasmotor Wirkungsgrades hervorruft.

Dr. Frederik Hahn*; Johannes Bauer; Udo Sander
MTU Friedrichshafen GmbH

Kurzfassung
Dieser Beitrag behandelt die Erweiterung eines seit 2007 erfolgreich in Serie befindlichen schnelllaufenden Kennfeld-Dieselmotors um die Möglichkeit zusätzlich gasförmige Kraftstoffe zu verwenden. Die Entwicklung des vorgestellten Nachrüstkits ist motiviert sowohl durch die steigende Bedeutung von Kostenvorteilen beim Einsatz gasförmiger Kraftstoffe, als auch vom Potential bei deren fehlender Verfügbarkeit weiterhin 100 % Leistung im Dieselbetrieb zu liefern. Im Folgenden werden Anforderungen und Konzept, die technische Beschreibung der Lösung, die Motorregelung sowie Betriebswerte vorgestellt. Mit dem entwickelten Produkt werden unter Einhaltung von Emissionsgrenzen und strengen Sicherheitsanforderungen höchste Dieselersparnisse insbesondere im für die Öl- und Gasanwendung wichtigen Teillastbereich erzielt. Dabei können unterschiedlichste Kraftstoffqualitäten zum Einsatz kommen, so dass einer zukünftigen Verwendung von z.B. gering aufbereiteten Erdölbegleitgasen nichts im Wege steht.

Luc Mattheeuws*, Lieven Vervaeke
ABC Gent, Gent, BE

Kurzfassung
Anglo Belgian Corporation (ABC) hat über 100 Jahre Erfahrung im Bau von internen Verbrennungsmotoren. ABC wurde 1912 mit dem Motto gegründet, die stärksten und zuverlässigsten Motoren zu bauen. Im Schiffseinsatz wurde über viele Jahre Diesel oder Schweröl als Grundbrennstoff eingesetzt. In den letzten Jahren haben sich die Leute aufgrund von Emissionsgesetzen und dem Glauben unserer Kunden in grüne Schiffslösungen nach neuen Konzepten Ausschau gehalten. Den Standarddieselmotor zu optimieren ist eine Option, aber die Brennstoffvielfalt (Erdgas, Methanol, …) ist ein alternativer Weg, der immer attraktiver geworden ist. Da ABC eine langjährige Erfahrung mit Dual-Fuel-Motoren für landbasierte Anwendungen hat, bietet es sich idealerweise an, die Dual-Fuel-Motoren auf Schiffsanwendungen zu erweitern.

ABC hat mit einem spezialisierten Team begonnen, einen Dual-Fuel-Motor für Schiffsanwendungen zu entwickeln und sich auf ein spezifisches Konzept konzentriert, das es ermöglicht, kürzere Reaktionszeiten als ein reiner Dieselmotor zu erzielen. Andere Themen waren die Verringerung der Zündölmenge, die Erlangung der Klassenzulassung und dem Ausarbeiten eines Sicherheitskonzepts. Das hat den neu entwickelten Dual-Fuel-Motor für den Schiffsmarkt verfügbar gemacht.

Die sehr gute Zündreaktionszeit des Motors zusammen mit der Zuverlässigkeit und Robustheit haben zum ersten Projekt geführt, in dem zwei 12DZD-Motoren an Bord einer Ro-ro-Fähre von TESO eingebaut wurden, der Texelstroom. Die Texelstroom ist eine Hybridfähre mit Solarpanelen und zwei mit Druckerdgas als sauberen Brennstoff angetriebenen Dual-Fuel-Motoren. Die Dual-Fuel-Motoren werden als Generatorengruppe installiert und zusammen mit einer großen Akkupackung – die während großer Spitzenleistungen hilft, die Abgasemissionen zu reduzieren – als Hybridantrieb benutzt.

Auch DEME war am Dual-Fuel-Motorkonzept von ABC interessiert und unterzeichnete eine Vereinbarung, um ein grünes Baggerschiff zu bauen. Dafür musste ABC zwei 16DZD-Motoren und einen 6DZD-Motor mit Flüssigerdgas als sauberen Brennstoff, jeweils für die Minerva und die Scheldt River liefern. Für die Minerva mussten die ABC-Motoren sowohl den Antriebsstrang als auch die Baggerpumpe und die Wechselstrommaschine mit Energie versorgen. Der ABC-Motor in der Scheldt River ist ein Hilfsmotor, um die Wechselstrommaschine zu versorgen.

All diese Projekte erfordern hochwertige Kontrollsysteme, angepasste Technik und die Optimierung von Brennstoffverbrauch und -emissionen. Dieses Dokument beschreibt diese Modifizierungen und zeigt den Einbau der Dual-Fuel-Motoren in die Schiffe.

N. Böckhoff*, D. Mondrzyk, S. Terbeck
MAN Diesel & Turbo SE, Augsburg, Germany

Kurzfassung
Die Nachfrage nach gasförmigen Kraftstoffen nimmt aufgrund des steigenden Energiebedarfs und der Suche nach Alternativen zur Stromerzeugung mittels Flüssigkraftstoffen und Kernenergie weiter zu. Der MAN 51/60G kann sehr vielfältig eingesetzt und optimiert werden. Wird der Gasmotor zur reinen Stromerzeugung genutzt, wird dieser auf höchst möglichen Wirkungsgrad auf der Abtriebswelle ausgelegt. Bei Grundlastanwendungen wird der Gasmotor in Europa überwiegend im „Combined Cycle“ oder einer „Combined Heat and Power“ Anwendung eingesetzt. Die Fähigkeit, innerhalb von kürzester Zeit die Volllast zu erreichen, macht den Gasmotor zu dem interessant zum Leistungsausgleich für Schwankungen bei der regenerativen Energieerzeugung. Im Vergleich zu konventionellen Dieselkraftwerken zeichnen sich gasförmige Kraftstoffe zur Energiegewinnung durch niedrige Primäremissionen, insbesondere von Staub, CO₂ und NO_X aus. Eine Herausforderung stellen die neuen Abgasemissionsgrenzwerte der TA-Luft und der EU Direktive dar. Hier werden neben anderen Schadstoffen die Grenzwerte für NO_X Ausstoß mehr als halbiert. Um diesen Marktanforderungen ideal zu entsprechen, wurden zahlreiche Optimierungen am 51/60G durchgeführt.
In diesem Paper wird die Weiterentwicklung des 51/60G der MAN Diesel & Turbo be-schrieben.

Christian Trapp*, Robert Böwing, Andreas Birgel, Herbert Kope-cek, Wolfgang Madl, Albert Fahringer, Fabrizio Nota
GE Distributed Power, Jenbach

Kurzfassung
Die Ausweitung der Leistungsgrenzen bei Großgasmotoren zur Verbesserung des Kundennutzens treibt die Entwicklung neuer Technologien bei GE weiter an und setzt dabei neue Standards. Großgasmotoren werden weltweit immer häufiger zur Stromerzeugung eingesetzt, um der wachsenden Nachfrage nach Strom in den Entwicklungsländern und den Veränderungen bei der Stromerzeugung in den Industrieländern zu begegnen. Die Nachfrage nach dezentraler und flexibler Energie nimmt zu und bringt damit auch die Entwicklung von Technologien für Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Leistungsdichte und Wirkungsgrad sowie hinsichtlich kurzer Startzeiten und Lastabwurf zur Netzstabilisierung voran. Im Jahr 2013 brachte GE den Jenbacher J920 FleXtra Gasmotor auf den Markt, einen von Grund auf neu entwickelten 20-Zylinder-4-Takt-Gasmotor der 10 MW-Klasse. Dieser Motor nutzt die erfolgreiche zweistufige Aufladetechnologie des Jenbacher J624 Gasmotors und stellt für einen 10 MW-Motor mit einer Motordrehzahl von 1.000 min 1 für 50 Hz-Anwendungen einen neuen Meilenstein dar. Diese Bauweise bietet eine hohe Leistungsdichte, geringe Abmessungen, einen hohen elektrischen und thermischen Wirkungsgrad für die Kraft-Wärme-Kopplung sowie große Flexibilität in der Anwendung. Dieser Artikel stellt die wichtigen Fortschritte bei Leistung, Wirkungsgrad und Betriebsflexibilität des Jenbacher J920 FleXtra Gasmotors vor, darunter eine 10 prozentige Steigerung der elektrischen Leistung, einen in einer Testumgebung nachgewiesenen elektrischen Wirkungsgrad von 50,1 Prozent, sowie höhere Flexibilität im Betrieb bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Gaszusammensetzungen. Zudem hat GE erheblich in seine digitalen Fähigkeiten investiert, um die fortschrittliche Regelung und Überwachung der Motoren mit der Analyse großer Datenmengen (Big Data) zu kombinieren und hiermit eine neue Ebene beim Betrieb von Industrieanlagen mit Jenbacher J920 FleXtra Gasmotoren durch vorausschauende Instandhaltung und Optimierung von Anlagen- und Flottenauslastung zu erreichen.

S. Zirngibl , M. Prager, G. Wachtmeister
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK), Technische Universität München

Kurzfassung
Die Verbrennung von Erdgas und insbesondere auch von Biogas kann als eine der Schlüsseltechnologien auf dem Weg zu einer klimaneutralen Energieversorgung angesehen werden. Aufgrund seiner weiten Verfügbarkeit nimmt Biogas bereits heute einen bedeutenden Platz im deutschen Energiemix ein [1]. Beispielsweise in stationären Kraftwerksanwendungen bzw. modernen Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), ist die Umsetzung gasförmiger Kraftstoffe weitestgehend etabliert. Insbesondere bei großen spezifischen Zylinderhubräumen kann das zur Wirkungsgradoptimierung meist mit vergleichsweise relativ großem Luftüberschuss gebildete Gas/Luft-Gemisch neben der konventionellen Zündkerzenzündung beispielsweise auch mithilfe einer Piloteinspritzung flüssigen Kraftstoffs entzündet werden. Abgesehen von den grundsätzlichen Teilaspekten der Brennverfahrensentwicklung, wie beispielsweise der Auswahl des Hub-Bohrungs-Verhältnisses und der anschließenden Optimierung der Brennraumform, oder auch der Definition der Ventilsteuerzeiten, muss folglich mit der Definition der Piloteinspritzung ein zusätzlicher, wesentlicher Freiheitsgrad berücksichtigt werden.

Das für die Piloteinspritzung zusätzlich erforderliche Hochdruck-Kraftstoffsystem stellt im Allgemeinen einen weiteren Systemaufwand dar. Die zusätzliche Komplexität des Gesamtsystems muss durch einen Verbrauchs- bzw. Wirkungsgradvorteil zumindest kompensiert werden. Dies kann insbesondere bei vergleichsweise großen spezifischen Zylinderhubräumen und geeigneter Abstimmung der Piloteinspritzung aufgrund einer deutlich schnelleren und somit effizienteren Umsetzung des Gas/Luft-Gemisches erreicht werden. Auch bei der Verbrennung von gasförmigen Kraftstoffen mit einem relativ hohen volumetrischen Anteil inerter Bestandteile, wie beispielsweise Biogas, könnte die deutlich schnellere Umsetzung der Zylinderfüllung auch bei kleineren Brennräumen den zusätzlichen Aufwand der Piloteinspritzung rechtfertigen. Aus diesem Grund wird am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK) der Technischen Universität München (TUM) ein Biogas Zündstrahl-Brennverfahren für einen kleinen Gasmotor untersucht. Der vorliegende Beitrag beschreibt auf der einen Seite die bisher durchgeführten experimentellen Untersuchen der Piloteinspritzung. Auf der anderen Seite wird auf die hauptsächlich simulative Anpassung und Auslegung der einzelnen Teilsysteme eingegangen. Im Mittelpunkt stehen hierbei somit neben der Piloteinspritzung auch die Ventilsteuerzeiten, sowie die Brennraumgeometrie und die geometrische Ausprägung des Einlasssystems mit den hieraus resultierenden Einflüssen auf die Zylinderinnenströmung.

Björn Henke, Bert Buchholz*, Karsten Schleef, Christian Fink
Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock

Sascha Andree
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Universität Rostock

Marius Wolfgramm, Robert Graumüller
Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG

Kurzfassung
Im Hinblick auf eine Analyse verschiedener Einflussgrößen auf den Dual-Fuel-Verbrennungsprozess sind im Rahmen des Forschungsprojektes „LEDF-Konzepte“ experimentelle Untersuchungen an einem mittelschnelllaufenden 1-Zylinder-Forschungsmotor mit unterschiedlichen Einspritzstrategien durchgeführt worden. Neben der Einspritzbeginnvariation einer µ-Piloteinspritzung umfassen die Untersuchungen die Analyse des Einflusses einer Mehrfach-Pilot-Einspritzung mit einer in der Kompressionsphase positionierten ersten und einer im typischen Zeitfenster vor OT positionierten zweiten µ-Piloteinspritzung. Während die erzielten Bestwerte für indizierten Wirkungsgrad, Verbrennungsstabilität und NOx-/CH4-Emissionen für beide Einspritzstrategien nur unwesentlich voneinander abweichen, kann auf Basis der ermittelten Ergebnisse festgestellt werden, dass diese Parameter bei einer Mehrfach-Einspritzstrategie deutlich weniger sensitiv auf eine Änderung des Einspritzzeitpunktes reagieren als bei einer Einfach-Einspritzstrategie.

Dr. Christoph Redtenbacher*, DI Constantin Kiesling, DI Maximilian Malin
LEC GmbH, Graz

Prof. Dr. Andreas Wimmer
LEC GmbH, Graz / Graz University of Technology

Kurzfassung
Im Gasbetriebsmodus von Diesel-Gas-Dual-Fuel-Motoren wird das homogene Gas-Luft-Gemisch im Brennraum durch die Einspritzung einer kleinen Menge Dieselkraftstoff entflammt. Diese Diesel-Piloteinspritzung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Performance des Verbrennungskonzeptes. Besonders für Einspritzsysteme von voll flexiblen Diesel-Gas-Motoren, die mit nur einem Dieselinjektor sowohl den Gasbetriebsmodus als auch den reinen Dieselbetrieb abdecken, stellt eine gute Entflammung des mageren Gemisches bei gleichzeitig niedrigen NOx Emissionen eine Herausforderung dar. Die Optimierung der Diesel-Piloteinspritzung ist daher ein wichtiger Ansatzpunkt zur Verbesserung des Diesel-Gas-Brennverfahrens, um die aktuellen Performancedefizite im Vergleich zu monovalenten Gasmotorkonzepten mit gasgespülter Vorkammer zu verringern.

In diesem Beitrag wird das Diesel-Gas-Motorkonzept dem Gasmotorkonzept gegenübergestellt, um zu zeigen, in welchen Bereichen das Dual-Fuel-Brennverfahren optimiert werden muss, um Wirkungsgrad und Verbrennungsstabilität an das Niveau des monovalenten Brennverfahrens anzunähern. Darauf aufbauend werden Maßnahmen bei der Diesel-Piloteinspritzung hinsichtlich Verbesserung des Diesel-Gas-Brennverfahrens bewertet. Die Analysen umfassen neben Einflüssen der variablen Einspritzparameter Einspritzdauer, Einspritzbeginn und Raildruck auch Einflüsse wichtiger Düsenparameter wie jener der Düsenlochanzahl. Nachdem die Erzielung eines symmetrischen Strahlbildes im Bereich der kleinen erforderlichen Dieselmengen mit Schwierigkeiten verbunden ist, wird zudem gezeigt, inwieweit eine Düse mit asymmetrischem Strahlbild im Vergleich zu einer Düse mit symmetrischem Strahlbild den Motorbetrieb beeinflusst.

Die gewonnenen Erkenntnisse basieren auf Testreihen an einem schnelllaufenden Einzylinder-Forschungsmotor mit ≈ 6 dm³ Hubraum. Ergebnisse von Untersuchungen in einer optisch zugänglichen Einspritzkammer sowie in einer Einspritzratenmesseinrichtung zur Charakterisierung des Einspritzvorganges unterstützen die Interpretation der beobachtbaren Effekte aus den Motormessungen. Die Kombination der experimentellen Methoden sowie eine detaillierte Analyse von Motorbetriebspunkten mittels Motorprozessrechnung ermöglichen, die Anforderungen an den Einspritzvorgang zur Erzielung eines wirkungs-grad- und emissionsgünstigen Verbrennungsablaufes abzuleiten. Eine abschließende Evaluierung zeigt auf, inwieweit die Performance des Diesel-Gas-Motorkonzeptes durch Optimierung des Einspritzvorganges an jene des Gasmotorkonzeptes angenähert werden kann.

Lukas Virnich*, José Geiger, Dirk Bergmann, Harsh Sankhla
FEV GmbH, Aachen

Avnish Dhongde
Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen, RWTH Aachen University

Kurzfassung
Im Spannungsfeld zwischen hohem thermischen Wirkungsgrad und möglichst klopffreiem Betrieb bei gleichzeitiger Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte stellt das Verdichtungsverhältnis neben dem Luftverhältnis die zentrale Größe für stationär betriebene Großgasmotoren dar. Daher ist die Kenntnis der frühesten möglichen Verbrennungsschwerpunktlage ohne Auftreten klopfender Verbrennung (Klopfgrenze) für die Auslegung des optimalen Verdichtungsverhältnisses eines ottomotorischen Brennverfahrens von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich zum Verdichtungs- und Luftverhältnis nimmt im Besonderen der verwendete Kraftstoff entscheidenden Einfluss auf den Brennverzug und die Brenndauer und dadurch auf den thermodynamischen Zustand des unverbrannten Luft Kraftstoffgemisches. Des Weiteren bestimmt der Kraftstoff (die Gaszusammensetzung) die kinetischen Eigenschaften des unverbrannten Luft Kraftstoffgemisches und somit auch die Klopfgrenze. Der weite Bereich an verfügbaren Gasqualitäten erschwert daher die Auslegung eines optimalen Verdichtungsverhältnisses.

Zur genaueren Analyse der Einflussgrößen auf die Klopfgrenze eines Brennverfahrens und zur simulationsgestützten Auslegung des Verdichtungsverhältnisses für stark unter-schiedliche Kraftstoffzusammensetzungen wird ein Entflammungs- und Klopfmodell entwickelt. Hierbei werden die kritischen Zustände im unverbrannten Luft Kraftstoffgemisch vor der fortschreitenden Flamme mit Hilfe einer detaillierten Reaktionskinetik Simulation identifiziert.

Der reaktionskinetische Ansatz berücksichtigt die Einflussparameter Verdichtungsverhältnis, Luftverhältnis sowie Kraftstoffzusammensetzung. Die Wechselwirkungen der Einflussparameter auf den Brennverzug und die Brenndauer finden über ein Entrainment-Modell zur Flammenausbreitung Berücksichtigung. Weiterhin ermöglicht die Simulation der zyklusindividuellen Schwankungen der genannten Größen eine dem Realmotorbetrieb entsprechende Verteilung der Klopfintensitäten und Auftrittswahrscheinlichkeiten.

Für die Simulation der Reaktionskinetik wird ein für den Motorbetrieb geeigneter Reaktionsmechanismus identifiziert. Dieser bildet die Änderung der Zündverzugszeit durch Ladungsverdünnung und für verschiedene Kraftstoffzusammensetzungen bei den im Brennraum vorliegenden Druck- und Temperaturzuständen ab.

D. Neher*, S. Fieg, W. Rieb, J. Bauer, M. Kettner
Forschungsbereich Motorentechnik des Instituts für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik (IK-KU) der Hochschule Karlsruhe

H. Biermann, N. Albrecht
Eberhardt Hoeckle GmbH

Kurzfassung
Bei Blockheizkraftwerken im Leistungsbereich bis 50 kWel finden überwiegend homogen magerbetriebene gemischansaugende Erdgasmotoren Verwendung, die geringe NOx-Emissionen bei gleichzeitig zufriedenstellenden Wirkungsgraden erzielen. Zwar können die in 2018 eingeführten NOx-Grenzwerte durch weitere Ladungsverdünnung eingehalten werden, allerdings ist dies aufgrund zunehmender Verschleppung der Verbrennung und erhöhter zyklischer Schwankungen mit einer Abnahme des inneren Wirkungsgrads verbunden. Beim Saugmotor nimmt zudem die Nutzleistung ab, wodurch sich die anteiligen Reibungsverluste erhöhen und folglich der effektive Wirkungsgrad gemindert wird.

Im vorliegenden Beitrag wurde ein alternativer Ansatz zur Entschärfung des Zielkonflikts zwischen Wirkungsgrad, NOx-Emissionen und Motorleistung eines gemischansaugenden homogen magerbetriebenen Vierzylinder-Erdgasmotors untersucht. Dabei stellte die Anhebung des Verdichtungsverhältnisses zur Erhöhung des Wirkungsgrads die Hauptmaßnahme dar, die zunächst zu einer erhöhten Verbrennungstemperatur führt. Dem Anstieg der NOx-Emissionen konnte durch die Nebenmaßnahmen Ladungswechseloptimierung und gekühlte Abgasrückführung zur Senkung der Prozesstemperatur, vor und während der Verbrennung, entgegengewirkt werden.

Im ersten Schritt erfolgte unter Verwendung der 1D-CFD Motorprozessrechnung eine Optimierung der Steuerzeiten zur Minimierung des Restgasgehalts. Die bestimmten Ventilhubkurven wurden anschließend mithilfe einer MKS-Ventiltrieb-Simulation ausgelegt und am Prüfstand untersucht. Zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von 13,3 auf 15,2 wurde die Kolbengeometrie modifiziert, deren Einfluss auf die Ladungsbewegung mittels 3D-CFD-Simulationen analysiert wurde. Ersten motorischen Untersuchungen mit erhöhter Verdichtung folgten Versuche mit gekühlter Abgasrückführung, bei denen vergleichbare NOx-Emissionen und unter Beibehaltung der Motorleistung der effektive Wirkungsgrad um 1,2 %-Punkte gesteigert werden konnte.

M.Sc. F. Rosenthal*, Dr.-Ing. Heiko Kubach, Prof. Dr. sc. techn. T. Koch
Institut für Kolbenmaschinen (IFKM),
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, D

Dr. Ulrich Arnold
Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT),
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, D

Kurzfassung
Aktuelle Entwicklungen von Erdgasmotoren machen sich weitere Abmagerung oder Ladungsverdünnung mit Abgas zur NOx-Emissionsreduzierung zunutze. Es wurde unter diesen Randbedingungen die Zündung an einem Einzylinder-Forschungsgasmotor durch Piloteinspritzung von zündwilligen Kraftstoffen untersucht. Durch systematische Auswahl von Vertretern unterschiedlicher Stoffgruppen mit stark zunehmender Zündwilligkeit bis Cetan-Zahl > 100 konnten zwei Zündkraftstoffe (2-EEE, HVO) bestimmt und deren Stoffeigenschaften ermittelt werden. Diese Kraftstoffe wurden hinsichtlich ihrer Eignung als Zündkraftstoff untersucht und mit Diesel als Referenzzündkraftstoff verglichen.

Eine höhere Zündwilligkeit reduziert den Brennverzug der Zündeinspritzung und erlaubt dabei die Verringerung des Zündkraftstoffanteils. Ein Großteil der Stickoxid-Emissionen ist auf die Zündeinspritzung zurückzuführen, weswegen Minimalmengen zur Zündung für die Erreichung der Emissionsgesetzgebung notwendig sind. Die Minimalmengeneinspritzung von 2-EEE als zündwilligem Kraftstoff ermöglicht, bei gleichzeitig niedrigen NOx-Emissionen, einen Magerbetrieb mit Abgasrückführung ohne Wirkungsgradnachteile.

1. Zirngibl , F. Günter, M. Prager, G. Wachtmeister
   Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK), Technische Universität München

Kurzfassung
Angesichts der zunehmenden Globalisierung und den technologischen Fortschritten nimmt der weltweite Energiebedarf stetig zu. Zudem verfolgen viele Länder das Ziel den Anteil erneuerbarer Energiequellen in ihrem jeweiligen Energiemix deutlich auszubauen. Jedoch wird auch bei vollständig erneuerbarer Energieversorgung aufgrund klimatischer Schwankungen eine Versorgungslücke verbleiben. Da effiziente Speichertechnologien heutzutage noch nicht in wirtschaftlichem Maße verfügbar sind, sind fossile Kraftwerke somit auch weiterhin zur Abdeckung der verbleibenden Residuallast in das Versorgungsnetz integriert. Ein möglicher Ansatz zur Residuallastabdeckung mithilfe erneuerbarer Energiequellen besteht in der Verwendung biogener gasförmiger Kraftstoffe. Im Gegensatz zu Solar- oder Windenergie kann der gasförmige Kraftstoff hierbei bedarfsgerecht verstromt werden. Somit kann die Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe neben der genannten Residuallast potentiell auch zur Abdeckung der Grundlast beitragen. Auch wenn hierbei die Versorgung mit elektrischer Energie meist im Vordergrund steht, bietet die Verbrennung von Biogas auch in möglichen BHKW-Anwendungen Vorteile. Um den Wirkungsgrad solcher Anlagen zu maximieren, müssen weiterhin die Prozesse zur Abwärmenutzung am Verbrennungsmotor (wie bspw. aus Kühlmittel, Schmieröl und Abgas) optimiert werden. Aus diesem Grund stellt der vorliegende Beitrag einen simulativen Ansatz zur Untersuchung thermodynamischer Kreisprozesse in BHKW-Anwendungen vor. Der in MATLAB entwickelte Quellcode ermöglicht die Abbildung beliebiger Kombinationen der jeweiligen Systemkomponenten (wie bspw. Wärmetauscher und Pumpen sowie (Dampf)Turbinen und Verdichter) in einem Kreisprozess. Der Beitrag beschreibt neben dem grundsätzlichen Modellierungsansatz hauptsächlich den Vergleich des Joule-Brayton und des Clausius-Rankine Prozesses sowie mögliche Optimierungspotentiale resultierend aus der Dimensionierung der berücksichtigten Systemkomponenten bzw. der gewählten Prozessführung.

Wolfgang Fimml *, Jonathan Lipp, Michael Greil, Philippe Gorse
MTU Friedrichshafen GmbH

Christoph Mathey, Christoph Voser, Boris Willneff
ABB Turbo Systems Ltd

Kurzfassung
Die variable Ventiltriebstechnologie bietet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistungsdaten von Off Highway Motoren. In den vergangenen Jahren hat die MTU Friedrichshafen GmbH auf Motoren der Baureihe 4000 die vollvariable Ventiltriebstechnik VCM® (Valve Control Management) von ABB Turbo Systems appliziert und erfolgreich getestet.

Dazu wurde ein VCM® Aktuator für die Einlassseite entwickelt und getestet. Dieser Beitrag erörtert die angewendete VCM® Entwicklungsmethodik und stellt erstmals detaillierte Ergebnisse der Motor- und Dauerlauftest von stationären Gasmotoren vor.

Die Motorversuche konzentrierten sich auf die thermodynamische Potentialuntersuchungen mit VCM® auf einem stationären Großgasmotor. Die Leistungsregelung wurde dabei über variable Einlassventilsteuerzeiten anstatt der konventionellen Drosselklappenregelung realisiert, wobei wesentliche Verbesserungen im Wirkungsgrad gemessen wurden: 0,65 %-Punkte für den einstufig aufgeladenen L64 Motor und 1,5 %-Punkte für einen emulierten zweistufig aufgeladenen stationären Gasmotor.

Neben der Verbesserung von Leistungsdaten sind die Zuverlässigkeit und Robustheit neuer Technologien für Großmotorenanwendungen von größter Bedeutung. Der vorliegende Beitrag stellt deshalb erstmals Dauerlaufergebnisse für 12 VCM®-Aktuatoren vor, welche mehr als 7.000 Stunden auf einem BHKW-Außenerprobungsträger der Baureihe 4000 L64 unter realen Bedingungen erprobt wurden.

Die verbauten VCM® Aktuatoren wurden messtechnisch überwacht und regelmäßigen Bauteilbefundungen unterzogen. Als Ergebnis zeigte sich neben einer ausgezeichneten Driftstabilität, eine geringe Zyklus-zu-Zyklus-Variationen wie auch ein sehr gutes Verschleißverhalten der Aktuatoren.
Die erzielten Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass die VCM®-Technologie nun jederzeit bereit für die Anwendung an schnelllaufende Off Highway Motoren ist.

Tobias Ehrler*, Manuel Cech, Titus Tschalamoff, Martin Wild
WTZ Roßlau gGmbH, Dessau-Roßlau, D

Kurzfassung
Die Verwendung von BHKW als Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen weist einen hohen Ge-samtwirkungsgrad bei der Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie auf. Mit dem Einsatz einer wärmegetriebenen Kälteanlage kann die Abwärme des Motors zusätzlich, z. B. zur Gebäudekühlung, genutzt werden. Dadurch steigt die Laufzeit des Blockheizkraftwerkes, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage steigert. Neben der Gebäudekühlung stellt die Nutzung der erzeugten Kälteleistung zur Kühlung der Ladeluft unterhalb der Umgebungstemperatur eine weitere Anwendungsmöglichkeit dar. Im Rahmen des Projektes wurden im ersten Schritt das Potenzial der Tieftemperaturladeluftkühlung an einem Gasmotor mit Hilfe der Motorsimulation untersucht und eine Potenzialabschätzung hinsichtlich folgender Zielgrößen abgegeben:

• Reduzierung der NO_x-Emissionen bei konstantem Wirkungsgrad für die Erreichung zukünftiger Emissionsklassen
• Steigerung des effektiven Motorwirkungsgrades

In den sich anschließenden Prüfstandsuntersuchungen wurden die Zielgrößen untersucht und das Motormodell validiert. Weitere Simulationsrechnungen werden durchgeführt und die Tieftemperaturladeluftkühlung mit dem Millerverfahren verglichen.

Dr. Hinrich Mohr*, Martin Abart, Ingo Koops, Dr. Rüdiger Teichmann
AVL List GmbH

Prof. Clayton Zabeu*, André Martelli, Roberto Salvador, Alexander Peñaranda, Glauber Ruy
Linhares Geração S.A.

Zusammenfassung
Aufgrund von mangelndem Regen in Brasilien in den letzten Jahren wurden die meisten der thermischen Stand-By Kraftwerke in den kontinuierlichen Betrieb genommen. Der brasilianische Gasmotoren-Kraftwerksbetreiber Linhares Geração S.A. (LGSA) begann in 2014 ein Programm zur Verbesserung der Motorperformance und Steigerung der Zuverlässigkeit. Dies soll mit einem optimierten Betrieb zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit dieses 204 MW-Kraftwerks mit seinen 24 mittelschnelllaufenden Gasmotoren führen. Dafür wurden die Realisierung einer permanenten Zustandsüberwachung und einer Closed-Loop-Motorsteuerung als relevante Bausteine definiert. AVL wurde in die technischen Diskussionen als unabhängiger Ingenieurdienstleister involviert und abschließend unter Vertrag genommen, die erforderliche Hard- und Software, die in das Anlagen-Automatisierungssystem einzubinden ist, für diese Anwendung zu entwickeln und zu liefern.

Als Basis für das technische Konzept wurden zwei Produkte aus dem AVL Großmotoren-Portfolio eingesetzt: das bewährte Condition Monitoring System AVL EPOS™ und die Services zur Entwicklung von Motorsteuerungssystemen. Beide Themen wurden für dieses Projekt gebündelt, wobei die notwendigen Anforderungen von AVL und LGSA gemeinsam festgelegt wurden. Unter Einbeziehung der umfangreichen Großmotorenkenntnisse konnte damit eine vollständige Integration erzielt werden. Dadurch ist auch eine Berücksichtigung des jeweils aktuellen Motorzustands in die optimierte Motorregelung möglich.

Die Realisierung vor Ort erfolgte in mehreren Stufen: zuerst wurde ein Motor im Kraftwerk mit AVL EPOS™ Hard- und Software ausgerüstet, um die Möglichkeiten der permanenten Zustandsüberwachung aufzuzeigen. Im zweiten Schritt wurde auf allen Motoren dieses System installiert und in die Kraftwerks-Automatisierung eingebunden. Als dritte Stufe erfolgte die Umstellung der konventionellen Motorsteuerung auf die Closed-Loop Lösung mit einer Verlinkung mit dem AVL EPOS™ über hard- und softwareseitige Interfaces. Dies erfolgte zur Prüfung der Funktionalitäten und Optimierung der Möglichkeiten. Auf der Basis und den Ergebnissen dieser Stufe ist eine entsprechende Umrüstung aller verbliebenen Motoren vorgesehen.

Die ersten Betriebsergebnisse sind sehr viel versprechend. Das integrierte System arbeitet sehr zufriedenstellend und sensitiv. LGSA erarbeitet nun die Potentiale des neuen Systems als Basis für die optimierte Betriebsstrategie.

Dr. M. Schultze*, C. Drexel
Caterpillar Energy Solutions GmbH, Mannheim, D

G. Kollias-Pityrigkas
Technische Universität Kaiserlautern, D

Zusammenfassung
Um die Nutzbarkeit wasserstoffhaltiger Gase zu untersuchen, wurden verschiedene Gasgemische bestehend aus den Hauptspezies H2, CH4, CO, CO2 und N2 an einem modifizierten Gasmotor des Typs TCG 2016 V08 untersucht. Der Motor war mit Flammsperren vor den Einlasskanälen ausgestattet, um die Ausbreitung möglicher Rückzündungen in den Ansaugtrakt zu unterbinden. Neben einer Vollindizierung mit Hochdruckquarzen war der Motor mit zusätzlichen Niederdrucksensoren und Lichtleitern im Receiverrohr ausgestattet. Während der Versuche wurde für alle Gase ein gleicher Verbrennungsschwerpunkt gewählt, um Vergleichbarkeit herzustellen. Es wurden Betriebsparameter wie Zündzeitpunkt, Verbrennungsluftverhältnis, Ladelufttemperatur und -druck variiert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, welche Leistung mit den verschiedenen Brenngasen bei verschiedenen Betriebsparametern darstellbar ist und welche Schadstoffemissionen in Abhängigkeit des verwendeten Brenngases zu erwarten sind. Zudem wurde die Klopfneigung der verschiedenen Gase untersucht. Es wird diskutiert, in wie fern sich Klopf- und Selbstzündungsereignisse bei unterschiedlichen Brenngaszusammensetzungen unterscheiden.

Mit Hilfe der experimentellen Daten wurde ein numerisches Modell entwickelt und validiert, das eine Prognose über die Nutzbarkeit von Brenngasen mit anderer chemischer Zusammensetzung erlaubt. Dieses Modell enthält 0D- und 1D-Simulationen sowie detaillierte chemische Reaktionsmechanismen.

Prof. Lars M. Nerheim*, Dr.-Ing. P. Koch, C.E. Harald Moen, B.Sc. Roger Aamot, M.Sc. Ørjan Høyvik
Bergen University College (HiB), Bergen, Norway

Zusammenfassung
In diesem Beitrag wird zuerst der neulich erfolgte Übergang von Ottomager Gasmotoren-Konzepten zum l 1 – Verfahren ohne oder mit EGR bei Euro VI Gasbusmotoren zusammengefasst. Es wird gefolgert, dass weitere Verbesserungen insbesondere bezüglich der CO2-Emissionen zu Gas-Hybrid Antriebs-Kombinationen führen werden.

Darüber hinaus wird über Vergleichsmessungen zwischen einem mit konventionellen Euro VI CNG Antrieb und einem seriellen CNC-Hybrid angetriebenen Stadtbus berichtet. Auffallend war in diesem zuerst der selbst im Stadtverkehr weitaus gleichmäßigere Betrieb des Hybrid-Antriebes, was zur verbesserten Funktion des TWC-Katalysators führte und damit zu deutlich reduzierten Abgasemissionen. Dagegen konnte die Betriebstemperatur des TWC-Katalysators im Hybridbus nicht immer aufrechterhalten werden. Bis der Katalysator wieder auf Betriebstemperatur kam wurden kurzzeitig erhöhte Emissionen beobachtet. Daraus kann geschlossen werden, dass das «thermal Management» dieses Hybrid-Triebwerkes und deren Kontrollstrategie noch verbesserungsbedürftig war. Auch wurde festgestellt, dass mit steigender Passagieranzahl der Beitrag des Batterieantriebes relativ abgenommen hat und sich somit die Verbesserungen im Vergleich zum konventionellen Antrieb ausgeglichen haben.

Günther Gern, Geschäftsführer WTZ Roßlau