Holzgasmotoren werden im Kraftwerksbetrieb zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie verwendet. Das Holzgas besteht in der Regel, neben den brennbaren Bestandteilen wie Methan, Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid, zu einem großen Teil aus nicht brennbaren Inertgasen, die den Heizwert des Holzgases verringern und einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Holzgas-Betriebs haben. Die vorliegende Arbeit zeigt die thermodynamische Wirkungsgradanalyse eines Holzgasmotors, mit Hilfe eindimensionaler Motorprozessrechnung, im Vergleich zum Betrieb mit den konventionellen Kraftstoffen Methan (CH4) und Wasserstoff (H2) sowie eine genaue Wirkungsgradanalyse bei Magerbetrieb, Aufladung und Abgasrückführung. Die Wirkungsgradanalyse verdeutlicht dabei die höheren Wirkungsgradverluste, die durch die thermodynamischen Kraftstoffeigenschaften und die langsame Verbrennung, auf Grund des verdünnenden Effekts der im Holzgas vorhandenen Inertgase, entstehen. Die Analyse des Magerbetriebs lässt gegenläufige Tendenzen erkennen. Zum einen sinken mit steigendem Luftüberschuss die Teilverluste durch die geänderten thermodynamischen Ladungseigenschaften und geringere Verbrennungstemperatur und zum anderen steigen die Teilverluste auf Grund noch langsamerer Verbrennung. Dadurch stellt sich der wirkungsgradoptimale Bereich bereits bei geringem Luftüberschuss ein. Deutliche Wirkungsgradsteigerungen sind vor allem beim aufgeladenen Motorbetrieb, durch optimierten Ladungswechsel und Wärmeübergang, nachweisbar. Die Wirkungsgradanalysen belegen weiters, dass eine Abgasrückführung, für einen Holzgasmotor, zu einem sinkenden indizierten Wirkungsgrad, auf Grund der weiteren Verdünnung des Holzgases, führt und sich daher dessen Einsatzzweck auf die effektive Reduzierung der NOx-Emissionen beschränkt. Diese Arbeit zeigt weiters die Abstimmungsergebnisse eines prädiktiven Verbrennungsmodells, das auf den Holzgasmotor und die Holzgaszusammensetzung abgestimmt wurde. Durch ein prädiktives Verbrennungsmodell kann das Motorbetriebsverhalten innerhalb eines an einem 1-Zylinder-Forschungsmotor vermessenen Betriebskennfeldes vorausberechnet werden. Das prädiktive Verbrennungsmodell verfügt über einen für das gesamte Kennfeld konstanten Satz an Parametern, welcher in einem Abstimmungsprozess optimiert wurde. Die Abstimmungsergebnisse lieferten dabei gute Übereinstimmungen im direkten Vergleich mit den Messdaten des 1-Zylinder-Forschungsmotors. Mit Hilfe des prädiktiven Verbrennungsmodells soll es möglich sein, den Motor für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb unter Einhaltung geltender NOx-Grenzwerte auszulegen.
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Wood gas engines are used in power plants to generate electrical and thermal energy. In addition to the combustible components such as methane, hydrogen, or carbon monoxide, the wood gas usually consists largely of non-combustible inert gases, which reduce the calorific value of the wood gas and have a negative impact on the efficiency of the wood gas operation. The present work shows the thermodynamic efficiency analysis of a wood gas engine, with the help of one-dimensional engine process calculation, in comparison to operation with the conventional fuels methane (CH4) and hydrogen (H2) as well as a precise efficiency analysis in lean operation, supercharging and exhaust gas recirculation. The efficiency analysis highlights the higher efficiency losses caused by the thermodynamic fuel properties and the slow combustion due to the diluting effect of the inert gases present in the wood gas. The analysis of lean operation reveals opposing tendencies. On the one hand, the partial losses decrease with increasing excess air due to the changed thermodynamic charge properties and lower combustion temperature, and on the other hand, the partial losses increase due to even slower combustion. As a result, the optimum efficiency range is already reached with a low excess of air. Significant increases in efficiency can be demonstrated, especially in supercharged engine operation, through optimized gas exchange and heat transfer. The efficiency analyses also prove that exhaust gas recirculation for a wood gas engine leads to a lower indicated efficiency due to the further dilution of the wood gas and therefore its purpose is limited to the effective reduction of NOx emissions. This work further shows the tuning results of a predictive combustion model tuned to the wood gas engine and wood gas composition. Using a predictive combustion model, the engine operating behavior can be predicted within an operating map measured on a 1- cylinder research engine. The predictive combustion model has a constant set of parameters for the entire map, which was optimized in a calibration process. The calibration results provided good agreements in a direct comparison with the measurement data of the 1-cylinder research engine. With the help of the predictive combustion model, it should be possible to design the engine for optimum efficiency while complying with the applicable NOx limits.
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