Combustion process improvement for a wood gas internal combustion engine of a biomass power plant

Abstract

Auf dem Weg zur Klimaneutralität können kleine dezentrale Biomasse-Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Leistungen von bis zu 50 kWel eine wichtige Rolle für die Wärme- und Strombereitstellung sowie die Netzstabilität in Gebieten mit ausreichenden Holzressourcen spielen. Holzgas wird in einem Gaserzeuger im BHKW aus Hackschnitzel und dem Oxidationsmittel Luft gewonnen, dann gereinigt und in einem Holzgasmotor für den Stromgeneratorantrieb umgesetzt. Da das Holzgas einen hohen Anteil an Inertgasen und dementsprechend einen geringen Heizwert hat, und die Zusammensetzung stark fluktuiert, ist ein effizienter Motorbetrieb herausfordernd. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung und Optimierung des Brennverfahrens für einen effizienten und emissionsarmen Motorbetrieb. Durch gezielte Motoroptimierungsmaßnahmen wird das Potenzial zur Wirkungsgraderhöhung und Emissionsminimierung ermittelt. Mittels der 3D-CFD-Simulation wird die Brennraumgeometrie analysiert. Die experimentellen Untersuchungen des Brennverfahrens erfolgen an einem dafür entwickelten Einzylinder-Forschungsmotor am Motorprüfstand mit einem vollflexiblen Gasmischer. Die Wirkungsgradanalysen resultieren aus der 0D/1D Motorprozessrechnung.Ein stabiler Verbrennungsprozess wird durch die Anpassung der Brennraumgeometrie zur Intensivierung der Ladungsbewegung sowie durch die Verdichtungsanhebung erreicht. Die durch die Gaserzeugungs- und Gasreinigungsprozesse bedingten Gaswechselverluste werden durch Aufladung minimiert. Die Anpassung der Motorbetriebsparameter mittels einer adaptiven Verbrennungsregelung kann die negativen Effekte einer fluktuierenden Holzgaszusammensetzung reduzieren und Wirkungsgradverluste von mehr als 1% vermeiden. Durch die Anwendung der SACI „Spark-Assisted Compression Ignition“ wird eine weitere signifikante Wirkungsgraderhöhung des Holzgas-Saugmotors realisiert. Eine holistische Umsetzung der vielversprechendsten Optimierungsmaßnahmen am Forschungsmotor führt zu einer Wirkungsgraderhöhung von 5,55 Prozentpunkten im Vergleich zum Basis-Holzgasmotor. Dabei werden die NOX-Emissionen um 52% reduziert und entsprechen der diesbezüglichen aktuellen österreichischen Gesetzgebung. Mit zunehmender Abmagerung werden „Near-Zero-NOX-Emissions“ erreicht, wobei ein Abgasnachbehandlungssystem die CO-Emissionen effektiv reduziert.

On the path toward carbon neutrality, decentral small-scale biomass power plants with a power output lower than 50 kWel can play a crucial role in heat and electricity supply and grid stability in areas with rich wood resources. The biomass, such as wood chips, is gasified, and the wood gas is utilized by an internal combustion engine that drives a generator. The state-of-the-art small high-speed SI wood gas engines are usually converted from compression ignition (diesel) engines fitted with spark plugs, and operate on the naturally aspirated stoichiometric mixture. Efficient engine operation is challenging due to specific operating conditions imposed by the wood gasification and wood gas properties. Hence, the present doctoral thesis aims to investigate and improve the combustion process for efficient and low-emissions operation of small high-speed wood gas engines. The potential for efficiency improvement and emissions reduction is determined by applying selective optimization measures. 3D CFD simulation is applied for investigations regarding in-cylinder flow motion. The experimental investigations of the combustion process are performed on a developed single-cylinder engine test bench with a fully flexible gas composition mixer. In addition, the efficiency loss analysis is performed by a 0D/1D simulation.A stable lean combustion process is realized by adjusting a combustion chamber shape for intensive charge motion and increasing the compression ratio. Boosting intake pressure prevents significant engine efficiency losses related to the low-pressure gas supply and gas exchange process resulting in an efficiency improvement. Adjusting the engine operating parameters by a combustion control can compensate for the composition fluctuations and avoid efficiency losses of more than 1%. An efficiency breakthrough is achieved by applying spark-assisted compression ignition on the naturally aspirated wood gas engine. A holistic implementation of optimization measures on the research engine results in an efficiency improvement of 5,55 percentage points compared to the basic engine. Thereby, the raw NOX emissions are reduced by 52% to the level below the limitation according to Austrian legislation. With increasing λ, “Near-Zero NOX Emissions” are achieved, whereby an exhaust gas aftertreatment system can reduce CO effectively.