Die Erkenntnis, dass der weltweite Klimawandel durch die vom Menschen verursachten Emissionen des Treibhausgases CO2 getrieben wird, ist weitgehend akzeptiert. Vorrangiges Ziel der Entwicklung neuartiger Antriebstechnologien ist daher die Reduzierung von CO2-Emissionen. Die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger bietet die Möglichkeit, den Kraftstoff für Fahrzeuge aus regenerativen Energiequellen herzustellen und somit den Ausstoß von CO2 komplett zu vermeiden. Die tiefkalte (kryogene) Flüssigspeicherung von Wasserstoff an Bord des Fahrzeuges hat derzeit das höchste Potenzial, akzeptable Reichweiten von Wasserstoff-Fahrzeugen darstellen zu können. Die konsequente Nutzung des kalten Wasserstoffs durch kryogene Gemischbildung bietet völlig neue Möglichkeiten zur Optimierung eines Verbrennungsmotors im Hinblick auf Leistung und Effizienz. Um das Potenzial dieses innovativen Gemischbildungsverfahrens voll ausschöpfen zu können, ist der Einsatz fortschrittlicher Simulationsmethoden unerlässlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 1D- und 3D Strömungssimulationswerkzeuge für die Optimierung von Wasserstoffmotoren mit kryogener Gemischbildung ertüchtigt. Die Simulation der Gemischbildung und der anschließenden Verbrennung mittels neuer und speziell für Wasserstoff angepasster Berechnungsmodelle wurde durch Abgleich mit Motorversuchen sowie optischen Experimenten validiert. Ausführliche Modell- sowie Gitterstudien wurden durchgeführt. Die Eignung eines Turbulent Flame Speed Closure (TFC) Verbrennungsmodells zur verlässlichen Vorausberechnung motorischer Wasserstoffverbrennung konnte über einen weiten Kennfeldbereich nachgewiesen werden. Dies stellt einen erheblichen Fortschritt gegenüber bisher erreichten Ergebnissen zur Simulation von Wasserstoffmotoren dar. Ein kritischer Punkt bei der kryogenen Gemischbildung ist das mögliche Auftreten von Eisanlagerungen im Saugrohr aufgrund der tiefen Gemischtemperatur. Zur Simulation dieses Phänomens wurde ein neuartiger Ansatz zur Berechnung von Eisbildung in Verbindung mit einer 3D CFD Simulation entwickelt. Die Aussagekraft des Modells konnte anhand experimenteller Daten aus der Literatur wie auch durch Vergleich mit vorhandenen optischen Experimenten zur Einblasung von kryogenem Wasserstoff demonstriert werden. Somit stand ein neuartiges Berechnungswerkzeug zur Verfügung, das erfolgreich eingesetzt wurde, eine technisch einfache aber robuste Lösung zur Vermeidung unkontrollierter Eisbildung zu erarbeiten. Die Funktionalität dieser Lösung wurde im Prüfstandsversuch nachgewiesen. Somit konnte ein entscheidender Beitrag zur Realisierung eines Wasserstoffmotors mit kryogener Gemischbildung geleistet werden. Die vorliegende Arbeit wurde bei der BMW Group Forschung und Technik im Rahmen des Europäischen Förderprojekts HyICE - Optimierung eines Wasserstoff - Verbrennungsmotors durchgeführt.

    It is generally accepted that the worldwide change of the climate is caused by the manmade emissions of the greenhouse gas CO2. For this reason the development of new technologies for propulsion aims at the reduction of the CO2-emissions. Using hydrogen as an energy carrier offers the possibility to produce the fuel for vehicles from renewable energy sources, thus avoiding the emission of CO2 completely. The on-board storage of liquid hydrogen at very low (cryogenic) temperatures offers currently the best basis to achieve acceptable cruising ranges of hydrogen vehicles. The consistent utilisation of the cold hydrogen using cryogenic mixture formation offers unique opportunities for the optimisation of a combustion engine with regard to power and efficiency. To fully exploit the potential of this promising mixture formation strategy, the usage of modern simulation techniques is necessary. In the course of this thesis, 1D and 3D computational fluid dynamic simulation tools were brought to a serviceable state ready for the optimisation of a hydrogen engine with cryogenic mixture formation. The simulation of the mixing and the combustion with novel models, adapted for hydrogen engine simulations, was verified by comparison to engine test bench results and optical experiments. Careful model and mesh studies have been performed. The ability of a Turbulent Flame Speed Closure (TFC) combustion model to predict the combustion process for a large part of the engine operating map could be demonstrated. This is a significant progress compared to results achieved until now regarding hydrogen engine simulations. A crucial point of the cryogenic mixture formation is the formation of frost inside the intake port due to the low mixture temperature. For the simulation of this phenomenon, a novel approach to compute frost formation in combination with a 3D CFD simulation has been developed. The validity of the model could be demonstrated on the basis of experimental results reported in literature and by comparison to preexisting cryogenic hydrogen injection experiments. The innovative simulation tool could be applied developing suggestions how to avoid the undesired formation of frost. A simple hut robust solution for the frosting issue was elaborated, whose functionality could be demonstrated during engine operation at the test bench, which is regarded as an essential step towards the realisation of a hydrogen engine with cryogenic mixture formation. The presented thesis was conducted at BMW Group Research and Technology in the course of the European funded project HyICE - Optimisation of a Hydrogen Powered Internal Combustion Engine.


    Zugriff

    Zugriff über TIB

    Verfügbarkeit in meiner Bibliothek prüfen

    Bestellung bei Subito €


    Exportieren, teilen und zitieren



    Titel :

    Simulation of a hydrogen internal combustion engine with cryogenic mixture formation


    Beteiligte:
    Ellgas, Simon (Autor:in)

    Erscheinungsdatum :

    2008


    Format / Umfang :

    158 Seiten, Bilder, Tabellen, 67 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch




    Simulation of a hydrogen internal combustion engine with cryogenic mixture formation

    Ellgas, Simon | GWLB - Gottfried Wilhelm Leibniz Bibliothek | 2008


    Simulation of a hydrogen internal combustion engine with cryogenic mixture formation

    Ellgas, S. / Pfitzner, M. / Onorati, A. | Tema Archiv | 2007




    93EL102 Hydrogen Combustion Engine with Internal Mixture Formation

    Binder, K. / Prescher, K. / Bauer, W. et al. | British Library Conference Proceedings | 1993