Entwicklung eines fremdgezündeten Kerosin-Brennverfahrens an einem Ein-Scheiben-Wankelmotor unter Berücksichtigung der Kaltstartfähigkeit

Abstract

Die vorliegende Arbeit verfolgt, im Zuge eines durch die österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) durch das Take-Off Programms geförderten und abgewickelten Projektes, das Ziel der Realisierung eines fremdgezündeten Kerosin-Brennverfahrens. Als Basis dient ein bestehender Ein-Scheiben-Wankelmotor der Fa. AustroEngine GmbH. Durch den Einsatz als Antriebsaggregat in Kleinst- und Kleinflugobjekten sowie dem vorwiegenden Einsatz von Kerosin als Heavy-Fuel in der Luftfahrt besteht hier das naheliegende Interesse an einem Betrieb mit solch höher siedenden Kraftstoffen. Ein ganzheitlicher Betrieb erfordert demnach die Entwicklung eines auf die Kraftstoffeigenschaften ausgelegten Brennverfahrens. Als Herausforderung gilt dabei die deutlich geringere Klopffestigkeit von Kerosin und die damit verbundenen Einschränkungen. Die Brennverfahrensentwicklung erfolgt sowohl auf experimenteller als auch simulativer Basis. Für die experimentellen Untersuchungen wird der Versuchsträger auf einem Motorprüfstand appliziert und mit verschiedenster Messtechnik ausgestattet. Diese erlaubt neben der Erfassung unterschiedlicher Temperaturen und Drücke auch die Messung der in der Brennkammer sowie der Ansaug- und Abgasstrecke auftretenden Druckverläufe. Die Untersuchungen auf simulativer Seite erfolgen auf Basis eines 1D-Motorprozess- sowie eines 3D-CFD-Modells zur Beurteilung der Strömungs- und Verbrennungsvorgänge. Die Erstellung des CFD-Modells basiert in Kooperation mit Convergent Science Inc. auf der Software CONVERGE. Die Entwicklung des Brennverfahrens erfolgt auf Untersuchungen zum Einfluss der einzelnen Parameter auf das Brennverfahren. Speziell die Anzahl und Position der Zündkerzen erweist sich als wesentlich für die Effizienz des Brennverfahrens. Auf Basis dieser Erkenntnisse können durch Entwicklung und Untersuchung eines 4-Zündkerzenbrennverfahrens am Realmotor deutlich höhere Brenngeschwindigkeiten sowie eine vollständigere Verbrennung erreicht werden. Die deutlich erschwerte Verdampfung von Kerosin erfordert in weiterer Folge Untersuchungen zur Optimierung der Gemischaufbereitung. Mit Integration eines luftunterstützten Niederdruckeinspritzsystems kann, auch in Hinblick auf die Kaltstartfähigkeit des Motors, durch entsprechend feinerer Zerstäubung der erschwerten Verdampfung entgegengewirkt werden. Zusätzliche Maßnahmen im Bereich der Gemischaufbereitung ermöglichen ein zuverlässiges Tieftemperaturstartverhalten ohne zusätzlicher Additivierung anderer Kraftstoffe. Auf Basis des entwickelten Brennverfahrens werden weitere Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich deren Leistungs- und Effizienzpotentials untersucht.

The present work, as part of a project developed by the Austrian Research Promotion Agency (FFG), pursues the aim of realizing a spark-ignition combustion process suitable for kerosene on a single-disc Wankel engine. An existing single-disc rotary engine from AustroEngine GmbH serves as the basis. Due to its use as a propulsion unit in micro and small aircraft and the predominant usage of kerosene as a heavy fuel in aviation, there is an apparent interest in operation with such higher boiling fuels. Accordingly, the holistic operation requires developing a combustion process designed for the fuel properties. The significantly lower anti-knock properties of kerosene and the associated limitations are considered a challenge. The combustion process development is executed on both- an experimental and a simulative basis. For the experimental investigations, the engine is applied to an engine test bench and equipped with a wide range of measurement systems. In addition to measuring different temperatures and pressures, this also allows measuring the pressure curves occurring in the combustion chamber and the intake and exhaust tract. The investigations on the simulative side are based on a 1D engine process model and a 3D CFD model for assessing the flow and combustion processes. The CFD model is created in cooperation with Convergent Science Inc. using the software CONVERGE. The development of the combustion process is based on investigations of the influence of individual parameters on the combustion process. In particular, the number and position of the spark plugs proved to be essential for the efficiency of the combustion process. Based on these findings, significantly higher combustion speeds and more completive combustion can be achieved by developing and investigating a 4-spark plug combustion process on the real engine. The significantly more difficult vaporization of kerosene subsequently requires investigations into the optimization of mixture preparation. With the integration of an air-assisted low-pressure injection system, the more difficult vaporization can be counteracted by correspondingly finer atomization, also with regard to the cold-start capability of the engine. Additional measures in the area of mixture preparation enable reliable low-temperature starting behavior without additional additives of other fuels. Based on the combustion process developed, further optimization interventions are being investigated about their performance and efficiency potential.