Development of a hydrogen dual-fuel combustion process for sustainable general aviation

Abstract

Um die angestrebten Klimaziele zu erreichen, ist eine Defossilisierung des Flugsektors notwendig. Neben bekannten alternativen Antriebssystemen, wie batterieelektrischen oder brennstoffzellenbetriebenen Antrieben, die aufgrund ihrer beispielsweise geringen Energiedichte bzw. hohen Kosten bei vergleichsweise geringer Lebensdauer für den Einsatz in einem Kleinflugzeug nur eingeschränkt geeignet sind, stellt der Verbrennungsmotor eine vielversprechende Alternative dar. Neben den Sustainable Aviation Fuels (SAF) ist die Verwendung von Wasserstoff als nachhaltiger Kraftstoff besonders zukunftsträchtig. Ein Dual-Fuel System überzeugt für diesen Einsatzzweck aufgrund der geringen Motoradaptionen und höchsten Betriebssicherheit. Die besonderen Eigenschaften von Wasserstoff sowie die Berücksichtigung der Randbedingungen in der allgemeinen Luftfahrt zeigen die Notwendigkeit gezielter Untersuchungen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines Wasserstoff-Kerosin Dual-Fuel Brennverfahrens für den Einsatz in einem Flugmotor, um die CO2-Emissionen in der allgemeinen Luftfahrt zu reduzieren. Im Rahmen von experimentellen Prüfstandsuntersuchungen wurde ein Wasserstoff-Kerosin Dual-Fuel Motoraufbau inklusive Kraftstoffsystem realisiert und ein dementsprechendes Brennverfahren entwickelt. Zunächst wurden als Basis die Limitierungen eines solchen Brennverfahrens mit Saugrohreinblasung ohne weitere Motoranpassungen erhoben und die Auswirkung der Wasserstoffsubstitution auf Verbrennungsparameter, Wirkungsgrad und Emissionen detailliert diskutiert. Ein Schwerpunkt der Arbeit war die Umsetzung und Bewertung von Optimierungsmaßnahmen, um die Grenzen des Verbrennungsprozesses in Bezug auf maximal erreichbare Wasserstoff Substitutionsraten anzuheben, damit die CO2-Emissionen weiter reduziert werden können. Dies umfasste auch die Analyse verschiedener Motoröleigenschaften bezüglich des Verbrennungsverhaltens im Wasserstoff Kerosin-Betrieb. Ein weiterer Fokus neben der Wasserstoff-Saugrohreinblasung war die Untersuchung der Wasserstoff-Direkteinblasung hinsichtlich der Gemischbildungsvorgänge und ihren Einflüssen auf Emissionsbildung und Wirkungsgrad. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen zeigen das Potenzial eines solchen Wasserstoff-Brennverfahrens auf und stellen damit einen wertvollen Beitrag zur Defossilisierung der allgemeinen Luftfahrt dar.

To achieve the ambitious climate targets, the decarbonization of the aviation sector is essential. In addition to well-known alternative propulsion systems, such as battery-electric or fuel-cell-based propulsion systems, which are only partially suitable for use in light aircraft due to their, for example, low energy density or high costs combined with a comparatively short lifespan, the internal combustion engine represents a promising alternative. In addition to Sustainable Aviation Fuels (SAF), hydrogen is particularly promising as a sustainable fuel. A dual-fuel system is convincing for this application due to the low engine adaptation requirements and high operational safety. The special properties of hydrogen, as well as the consideration of boundary conditions in general aviation, demonstrate the necessity of dedicated investigations. The aim of this study is therefore the development of a hydrogen-kerosene dual-fuel combustion process for use in an aircraft engine in order to reduce CO2 emissions in general aviation.Within the framework of experimental test bench investigations, a hydrogen-kerosene dual-fuel engine setup including the fuel system was realized, and a corresponding combustion process was developed. Initially, as a basis, the limitations of such a combustion process with port fuel injection without further engine modifications were determined, and the influence of hydrogen substitution on combustion parameters, efficiency, and emissions was discussed in detail. A particular focus of the work was the implementation and evaluation of optimization measures in order to extend the combustion process limits with regard to the maximum achievable hydrogen energy shares and, thus, further reduce CO2 emissions. This also included the analysis of various engine oil properties in terms of combustion behavior in hydrogen-kerosene operation. In addition to hydrogen port fuel injection, hydrogen direct injection was investigated with respect to mixture formation processes and their influences on emission formation and efficiency. The results of the conducted investigations highlight the potential of such a hydrogen combustion process and, therefore, represent a valuable contribution to the defossilization of general aviation.