Brennverfahrensentwicklung an einem Wankelmotor für den Einsatz von Bio-Kerosin, experimentell und mittels CFD-Simulation, Leistungsoptimierung unter der Randbedingung niedrigster Emissionen

Abstract

Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde an einem Wankelmotor Prototyp das Brennverfahren für Benzin optimiert und für den Einsatz von Kerosin und erneuerbarem, biogenem Kerosin weiterentwickelt. Eine komplette mechanische Neuentwicklung konnte vermieden und dadurch hohe Kosten eingespart, werden. Im Gegensatz zu teuren und aufwändigen Ansätzen, die eine Hochdruckeinspritzung mit mehreren Injektoren, oder einer Turboaufladung erfordern, war es Dank der erlangten Erkenntnisse möglich, das Brennverfahren hinsichtlich der Effizienz für Ottokraftstoff zu steigern und für Kerosin und biogenes Kerosin zu adaptieren. Anhand der durchgeführten Untersuchungen am Motorprüfstand konnte gezeigt werden, dass durch gezielte Änderungen in der Motorsteuerung und der Injektorposition ein vielfältiger Einsatz des Motors mit gesteigerter Leistung und deutlich reduzierten Abgasemissionen, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, möglich ist. Dies gelang durch fundamentierte Grundlagenuntersuchungen an einem Verbrennungsreaktorprüfstand für fremdgezündetes Kerosin. Die dort erlangten Kenntnisse dienten der Entwicklung eines CFD-Modells mit implementiertem Reaktionsmechanismus für Kerosin und biogenem Kerosin. Anhand dieses Modells konnten die Herausforderungen für den effizienten Betrieb für Kerosin und biogenem Kerosin, noch vor den Motorprüfstanduntersuchungen eruiert werden. Durch eine Erweiterung des CFD-Modells um den Gemischbildungsprozess konnte gezeigt werden, dass speziell für den Betrieb mit schwersiedenden Kraftstoffen, wie etwa biogenem Kerosin, eine detaillierte Simulation des Wandfilms unerlässlich ist. Dieser zeigt sich, neben der hohen Selbstzündungsneigung von Kerosin, als leistungslimitierend. Der untersuchte Prototyp stellt den ersten und einzigen Motor mit Kerosinbetrieb dieser Größe und Leistungsklasse dar, der mit Saugrohr Niederdruckeinspritzung und ohne Aufladung arbeitet. Neben der Absenkung der CO2-Emissionen durch den Einsatz von biogenem Kerosin wurde anhand einer 1-D-Simulation gezeigt, dass durch einen hybriden Flugzeugantriebstrang, unter den gewählten Randbedingungen, eine deutliche Absenkung der CO2-Emissionen möglich ist. Dies stellt einen enormen Schritt Richtung CO2-Neutrales Fliegen dar.

Within the framework of detailed investigations, the combustion process for gasoline was optimized and adapted for the use of kerosene and renewable, biogenic kerosene on an existing Wankel engine prototype. A complete mechanical new development could be avoided and thus high costs saved. In contrast to expensive and complex approaches, which require a high-pressure injection with several injectors, as well as turbocharging, it was possible, due to the obtained research, to increase the efficiency of the combustion process for gasoline and to adapt it for the use of kerosene and biogenic kerosene. Through specific changes in the engine control and the injector position, a versatile use of the engine is possible with increased performance and significantly reduced emissions. This was achieved by thorough investigations on a combustion reactor for spark ignited kerosene. The knowledge gained was used to develop a CFD model with implemented reaction mechanism for kerosene and biogenic kerosene. Based on this, the challenges for the efficient operation of the engine with kerosene and biogenic kerosene could be determined. By enhancing the CFD model to include the mixture formation process, it was shown that a detailed simulation of the wall film is indispensable for the operation with highboiling fuels such as biogenic kerosene. This shows itself, together with the high selfignition tendency of kerosene, as a limiting factor for performance. The tested prototype is the first and only engine of this size and performance class that uses kerosene and which operates with intake manifold low-pressure injection and no supercharging. In addition to the reduction of CO2 emissions through the use of biogenic kerosene, a 1-D-simulation has shown that under the selected boundary conditions, a hybrid flight drivetrain can significantly reduce CO2 emissions. This represents an enormous step towards CO2 neutral flying.