Projekte
2024
Integrierter Wasserhaushalt von Anoden- und Kathodenpfad in Brennstoffzellensystemen
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Februar 2024 - 31. Januar 2025
Mittelgeber: Stiftungen
2023
Analyse makroskopischer und mikroskopischer Energieflüsse eines brennstoffzellenbetriebenen Tiefbohrgeräts
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Modulares Antriebskonzept mit Brennstoffzelle für Anwendungen im Spezialtiefbau
Laufzeit: 1. Oktober 2023 - 30. September 2026
Mittelgeber: BMBF / VerbundprojektAufgaben und Ziele des Teilprojekts an der Professur für Fluidsystemtechnik sind...
a) ...die Modellierung der Energieflüsse im Brennstoffzellensystem eines Drehbohrgeräts, sowie der Energieversorgung des Drehbohrgeräts auf der Baustelle. Dabei werden neben den thermodynamischen und elektrischen Größen insbesondere auch die CO2 Emissionen und die Kostenfunktion der Einzelnen Bauteile und Betriebsstrategien berücksichtigt. Ergebnis wird ein Werkzeug zur Auslegung von Brennstoffzellensystemen für Spezialbaumaschinen im Offroad-Bereich.
b) ...die grundlegende Untersuchung von Wasserverdampfung zur effizienten Nutzung von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenbetrieb. Die Herausforderung besteht darin, dass die Abwärme des Systems nur auf niedrigem Temperaturlevel (ca. 85 °C) zur Verfügung steht, aber hoher Kühlleistungen und Verdampfungsleistungen gefordert sind. Ergebnis wird ein Konzept zur effizienten Nutzung von Produktwasser in Brennstoffzellensystem für den Antrieb von Spezialtiefbohrgeräten sein.
c) ...die Charakterisierung eines Brennstoffzellensystems für die Anwendung in Spezialtiefbohrgeräten auf einem Prüfstand. Ergebnis wird ein Betriebskennfeld des konkreten Systems sein, auf dessen Basis eine optimierte Betriebsstrategie in der Anwendung entwickelt werden kann.
Wasserstoff-Gemischbildung in Off-Highway-Anwendungen (Messtechnikentwicklung, -optimierung und -applikation)
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Wasserstoff-Gemischbildung in Off-Highway-Anwendungen
Laufzeit: 1. Januar 2023 - 31. Dezember 2025
Mittelgeber: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) (seit 2018)Auch im Bereich der Off-Highway-Anwendungen (z.B. Baumaschinen, Tagebau) besteht eine Notwendigkeit defossiler Antriebe zur Erreichung der Klimaziele. Mit besonderen Anforderungen an Energiedichte, Robustheit und Laufzeit bieten sich hier als kurzfristig realisierbare Lösung Wasserstoffmotoren an. Die Eignung verschiedener Einblase- und Zündkonzepte für solche Motoren ist eine offene Fragestellung, derer sich das Projekt annimmt. Mit optischen Messtechniken werden Konzepte zur Saugrohr- und Niederdruck-Direkteinblasung quantitativ hinsichtlich Gemischbildung verglichen und der Einfluss des Einblasesystems (Fokus: Injektor) bewertet. Darüber hinaus erfolgt mit dem Ziel einer nahezu emissionsfreien Verbrennung eine Untersuchung der Zündung mit einer aktiv gespülten Wasserstoff-Vorkammer, um Magerbetrieb und damit die Vermeidung von Stickoxid-Emissionen zu ermöglichen. Komponenten der Einblase- und Zündsysteme sowie Untersuchungsmethodiken werden im Projekt spezifisch entwickelt.
2022
CO2 Reduktion durch Brenndauerverkürzung – Optische Untersuchungen der Verbrennung in einer Hochdruck-Hochtemperatur-Kammer
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: CO2 Reduktion durch Brenndauerverkürzung
Laufzeit: 1. Oktober 2022 - 31. März 2025
Mittelgeber: AIF Arbeitsgemeinschaft industrieller ForschungsvereinigungenIm konventionellen Dieselbrennverfahren besteht weiteres Wirkungsgradpotential in der Reduzierung der Wandwärmeverluste und in der Verkürzung der Brenndauer. Mit Blick auf potentielle Maßnahmen zur Reduzierung der Brenndauer besteht noch grundlegender Forschungsbedarf.
Der Brennverlauf in Dieselmotoren lässt sich in drei Zeitanteile unterteilen:
- Der erste Zeitanteil der Verbrennung läuft in der Regel vorgemischt und damit recht schnell (d.h. mit hoher Wärmefreisetzungsrate) ab. Die Zündung als fortschrittsbestimmender Mechanismus für die Verbrennung ist hierbei vor allem reaktionskinetisch kontrolliert.
- Der zweite Zeitanteil der Verbrennung läuft primär mischungskontrolliert, d.h. kontrolliert durch die makroskopische Turbulenz (Einspritzung und Drall) und durch die auf molekularer Ebende ablaufende Diffusion, ab. Von erheblichem Einfluss ist hierbei die durch die Einspritzung eingebrachte turbulente kinetische Energie. Diese führt insbesondere bei Motoren mit Direkteinspritzung zur einer erheblichen Beschleunigung des Verbrennungsumsatzes.
- Der dritte Zeitanteil wird sowohl von der abklingenden Turbulenz nach dem Einspritzvorgang, sowie von der Diffusion, also den Konzentrationsunterschieden im Gemisch, beeinflusst. Trotz der hohen Temperaturen laufen die Diffusionsprozesse nicht ausreichend schnell ab, so dass sich dieser dritte Zeitanteil der Verbrennung selbst in DI-Dieselmotoren als relativ lang und damit ungünstig für den thermodynamischen Wirkungsgrad erweist. Im Gegensatz zur zweiten Verbrennungsphase fehlt hier vor allem der beschleunigende Anteil durch ein ausreichendes Turbulenzniveau.
Im Projekt werden simulative und experimentelle Untersuchungen über innovative Maßnahmen zur Verkürzung der diffusiven Ausbrennphase in Dieselmotoren durchgeführt.
2021
Konzeptionierung und Aufbau eines Heavy Duty Brennstoffzellensystems (FCS-HD)
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Konzeptionierung und Aufbau eines Heavy Duty Brennstoffzellensystems (FCS-HD)
Laufzeit: 1. Dezember 2021 - 30. November 2024
Mittelgeber: andere FörderorganisationDas Ziel des Verbundprojektes ist es, ein Brennstoffzellensystem für die Nutzfahrzeuganwendungen zu entwickeln. Dabei wird ein innovatives und modulares Labor-Brennstoffzellensystem analysiert und die kritischen Komponenten bezüglich der Nutzfahrzeuganforderungen identifiziert und die Systemleistung entsprechende der spezifischen Anforderungen angehoben. Hierfür wird ein leistungsstärkerer Stack integriert und die System- und Komponentenauslegung den Anforderungen angepasst. Die kritischen Komponenten sollen in diesem Projekt hinsichtlich Lebensdauer, Effizienz, Robustheit und Kosten optimiert bzw. weiterentwickelt werden. Auch ein gleichzeitiger Betrieb mehrerer Brennstoffzellen-Systeme soll realisiert werden, um die notwendige Systemleistung abzubilden. Eine Optimierung der Betriebsstrategie sowie die Erweiterung der Software-Funktionen sollen den Betreib des Heavy Duty Brennstoffzellensystems in der Nutzfahrzeuganwendung sicherstellen.
2020
Immersed-cooling Concepts for Electric Vehicle Battery Packs using Viscoelastic Heat Transfer Liquids (I-BAT)
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)Laufzeit: 1. Oktober 2020 - 30. September 2024
Mittelgeber: EU - 6. Rahmenprogramm
URL: https://www.horizon2020-ibat.euThe penetration of plug-in EVs on the world market faces considerable technological challenges. The performance of battery electric drives is influenced among other things by the power density and efficiency of the EV Battery Thermal System (BTMS), the heating and cooling system for batteries and power electronics. Lithium-ion batteries require a temperature of 15-60 °C for optimal operation, with high demands on temperature uniformity between the cells. The power density of the battery cooling systems has to be doubled compared to the state of the art to enable powerful and compact drives. The tight integration in vehicles means that only minimal cross-sections are available for the liquid coolants used. This challenge is met by innovative coolants, which have shown considerable potential for increasing the cooling effect and reducing pump losses in basic investigations. The subject of work is the synthesis and characterization of mineral oil-based coolants with optimal rheological and thermal properties suitable for EV BTMS. The novel fluids to improve heat transfer consist of a viscoelastic liquid carrier matrix with suspended nanoparticles. The dielectric nature of mineral oils allows the realization of immersion cooling systems with improved heat transfer rates compared to current devices with indirect cooling. In addition, viscoelastic additives can give the flow a controllable non-Newtonian character, resulting in reduced friction losses leading to 10-20% less pressure loss. At the same time, the selective amplification of specific types of coherent secondary flows favors a further increase in heat transfer. Overall, the proposed research aims at doubling thermal performance. The newly developed nanocoolants will be tested in a BTMS prototype to prove that these improments have the potential to revolutionize the relevant transport sector.
Gemischbildung und Verbrennung von Alkoholen und anderer biogener Kraftstoffe in mischungskontrollierten Brennverfahren
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Oktober 2020 - 31. März 2023
Mittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)Die erste Projektphase zuBioethanol-haltigen Dieselkraftstoffen zeigte, dass die Luftbeimischung zuunter Motorbedingungen injiziertem Kraftstoff als unabhängig von seiner Zusammensetzungbetrachtet werden kann. Für verschiedene Substanzen resultieren in derstationären Phase lokal gleiche Kraftstoff-Luft-Massenverhältnisse, die durchdas Einspritzsystem gezielt eingestellt werden können. Ein Kraftstoffeinflusskommt erst beim Übergang von physikalischer Gemischbildung zu chemischerVerbrennung zu tragen. Charakteristika wie ein (Biokraftstoff-typischer)Sauerstoffgehalt führen zu magereren Gemischen. Dies erlaubt bei Auswahl einesalternativen Stoffs die Fokussierung auf chemische Eigenschaften.Problemstellungen der Schadstoffemission und endlicher Ressourcen können sosimultan und synergetisch behandelt werden: Durch Verwendung von Biokraftstoffenmit geeigneter chemischer Charakteristik wird der Verbrennungsverlauf gezieltso beeinflusst, dass geringe Emissionen entstehen.
Neben dem Alkohol Ethanol sollen in der beantragten zweiten Projektphase HVO und 1-Octanol untersuchtwerden. Durch Analyse der Mischungshomogenität via Raman-Spektroskopie sollbeurteilt werden, ob ein Kraftstoffeinfluss auf mikroskopischer Ebene besteht.Darauf aufbauend soll die Verbrennungsvorgang alternativer Kraftstoffe inEinspritzkammer, Rapid Compression Machine und Einzylindermotor analysiert und dieAnwendungsnähe sukzessive maximiert werden. Ziel ist es Möglichkeiten undGrenzen einer optimalen Verbrennungsführung durch alternative Kraftstoffe füreinen oder wenige Betriebspunkt(e) im realen Anwendungsfall aufzuzeigen. UmErkenntnisse direkt nutzbar zu machen und den Transfer zwischen denPrüfstandssystemen zu optimierten, erfolgt ein stetiger Übertrag in dienumerische Simulation. Hierzu erforderliche Stoffdaten werden projektimmanent viaRaman-Spektroskopie bestimmt und geben eine aktuell benötigte Datenbasis überdas Projekt hinaus.
Kompressionszündung regenerativer Kraftstoffe
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Injection, mixing, and autoignition of e-fuels for CI engines
Laufzeit: 1. Juni 2020 - 31. Mai 2022
Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)One part of sustainable future mobility will be e-fuels synthesized using regenerative energy. They provide chemical energy storage and are an important step on the way to controlled, clean, and efficient combustion. However, to convert them back into mechanical power, their physical-chemical behavior in the internal combustion engine needs to be understood and condensed into simulation tools for design. At the same time, certain classes of e-fuels promise to be much more conducive to clean and efficient engine combustion. The target of this project are oxygenated e-fuels for compression-ignition engines.
The project goal is to acquire a better understanding of the spray atomization and ignition of oxygenated e-fuels. Starting from a reference fuel that represents current diesel fuels, the proposed project will focus on oxygenated e-fuels and derived blends. With an array of experimental techniques, the species distribution and temperature field in free jets will be measured quantitatively. CFD simulations and chemical mechanism reduction are used to complement the experimental results. Experiments and simulation in an optically accessible engine then are used to tranfer these transfer to the much more complex boundary conditions of a running engine. Each project partner will perform experiments with the same injectors and boundary conditions, and will first use simple optical techniques to make sure that indeed the spray behaves as in the other laboratories. Based on this common experiment, each partner then contributes additional physical insight with the advanced optical diagnostics or simulation that are the specialty expertise of that research group (e.g., laser-induced fluorescence, Rayleigh and Raman scattering), such that a very complete picture of spray, mixing, and ignition can be assembled.
The research network consists of institutes with a expertise in combustion research using optical diagnostics and multidimensional simulations. The Institute of Engineering Thermodynamics at Friedrich-Alexander University (FAU/GER), the Combustion Research Facility at Sandia National Laboratories (SANDIA/USA), and the Institute for Combustion and Gas Dynamics at the University of Duisburg-Essen (UDE/GER) all will measure the temperature and species distribution in the fuel jet, but each with different optical methods to minimize overall experimental uncertainties. They will also image several indicators of cold-stage and hot-stage ignition. The Department of Mechanical Engineering at Shanghai Jiao Tong University (SJTU/CHN) will derive chemical kinetic models as an input for simulations at the Institute of Powertrains and Automotive Technology at Vienna University of Technology (TUW/AUT). Their CFD simulation will be validated against the experiment, but will also provide additional information that is not accessible by experiments. The project will be guided by an advisory board from industry with representatives from both SMEs and larger companies.
The main expected result is the promotion of innovations in the field of renewable-energy storage. Such innovations will create additional demand in chemical process engineering, catalysis, and process equipment for synthetic fuel design and production. The experimental and numerical methods developed in the proposed research project will help the R&D in high-tech companies specialized in measurement technologies, optical systems, and simulation of reactive flows. In these areas, major developments and market contributions are provided by small and medium size enterprises (SME).
2019
Eingliederund des LTT in das ECN-Netzwerk
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Januar 2019 - 30. September 2019
Mittelgeber: andere Förderorganisation
URL: http://www.bacatec.deIn Einklang mit dem „Klima-Aktions-Plan 2050“ muss Deutschland und seine Mobilität bis zum Jahr 2050 größtenteils Treibhausgas neutral werden. Eine Kostenanalyse für eine in der gesamt Ökobilanz CO2-freie Mobilität sagt voraus, dass sich der Markt auf elektrisch angetriebene und einen dominierenden Teil von motorisch angetriebenen Fahrzeugen aufteilt, die mit synthetischen Kraftstoffen aus Wind und Sonne, sogenannten „e-fuels“ betrieben werden1. Das “Engine Combustion Network” ECN (https://ecn.sandia.gov/) ist ein Lösungsweg um experimentelle Daten und eine Diskussionsplattform für CFD-Modellbildner bereitzustellen. Aufgrund der großen Herausforderungen in diesem Forschungsgebiet ist ein globales wettbewerbsfreies Netzwerk unabdingbar für signifikante Fortschritte. Durch die Eingliederung wird das ECN reicher an Spraydaten und die FAU kann ihre Sichtbarkeit in der Forschungsgemeinschaft steigern.
Experimentell validierte DNS- und LES-Ansätze für die Kraftstoffeinspritzung, -mischung und -verbrennung in Dual-Fuel-Motoren
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Experimentally Validated DNS and LES Approaches for Fuel Injection, Mixing and Combustion of Dual-Fuel Engines
Laufzeit: 1. September 2019 - 31. August 2023
Mittelgeber: EU - 8. Rahmenprogramm - Horizon 2020
URL: http://www.edem-itn.euÖkonomische, geopolitische und soziale Trends können über die gut beschriebenen Umweltbelange hinaus legislative Maßnahmen zur teilweisen Substitution von Diesel durch sauberere Kraftstoffe in naher Zukunft bewirken. Außerdem haben die bereits sehr strengen Emissionsgesetzgebungen für Dieselmotoren, z.B. EURO VI- oder Tier-IV-Normen, in Europa und in den USA, zu einem Anstieg des industriellen Interesses an der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, die sowohl für flüssige/gasförmige Kraftstoffgemische geeignet sind, geührt. Die Verbrennung in diesen so genannten Dual-Fuel-Motoren umfasst die Kompressionszündung von Dieselkraftstoff, der in ein homogenisiertes gasförmiges (oder flüssiges) Kraftstoff-Luft-Gemisch eingespritzt wird. Die hinterliegende Motivation ist, dass bei der Dual-Fuel-Verbrennung der meiste Dieselkraftstoff weitgehend homogenisiert verbrannt wird und damit die Rußbildung drastisch geringer ausfällt. Darüber hinaus können abhängig von Kohlenstoffgehalt und Herkunft des primären gasförmigen (oder flüssigen) Kraftstoffs Dual Fuel-Verfahren zu einer signifikanten Verringerung der CO2-Emission führen. Erdgas oder Methan sind ideale Kandidaten unter den Kohlenwasserstoffen. Das Ziel dieses Projekts, im Einklang mit der europäischen und internationalen Richtlinien in diesem Bereich, ist die Entwicklung und Validierung von DNS/LES-Methoden für Kraftstoffeinspritz-, Misch- und Verbrennungsprozesse, die relevant sind für Verbrennungsstrategien in Dual-Fuel-Motoren. Darüber hinaus ist die Anwendung der neu abgeleiteten Modelle zur Entwicklung effizienterer Motoren und zur Abschätzung der Umweltauswirkungen der vorgeschlagenen Konzepte Ziel der Forschungsarbeiten. In Bezug auf MSCA-Agenda wird das Projekt eine einzigartige Gelegenheit für eine gemeinsame industriell-akademische Doktorandenausbildung in führenden multinationalen Unternehmen schaffen. Dies wird die Fellows mit Fähigkeiten, Wissen und Know-how ausstatten, die nicht nur ihre persönlichen Karrieremöglichkeiten verbessern, sondern ihnen ermöglicht zur Lösungen globaler Probleme und dem Wohl der Gesellschaft als Ganzes beizutragen.
Gespülte Vorkammerzündsysteme für neuartige PKW-Brennverfahren
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. August 2019 - 31. Juli 2022
Mittelgeber: Bayerische ForschungsstiftungIm Projektantrag LEANition sollen die Möglichkeiten und Grenzen einer gespülten Vorkammerzündung in PKW-Ottomotoren aufgezeigt werden. Die Vorkammer ist ein kleiner Zündraum um die Zündkerze, der durch Übertrittskanäle mit dem Brennraum verbunden ist und zusätzlich zum Ladungswechsel mit dem Hauptbrennraum aktiv mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt wird. Dem Antrag liegt die In-novation zugrunde, das notwenige Gemisch zur Versorgung der Vorkammer aus dem konventionellen Benzintank oberhalb des Flüssigkeitsspiegels zu entnehmen. Dort liegt eine sehr kraftstoffreiche Gas-atmosphäre vor. Die Vorkammerzündung zeigt das Potential zu deutlich reduziertem Kraftstoffver-brauch im Teillastbereich bei gleichzeitiger Reduzierung der NOx-Emissionen durch den Einsatz homo-gen magerer Gemische (λ ≈ 2) oder hoher bis sehr hoher Restgasanteile (AGR ≥ 30 %). Die hohe Zünd-energie der Vorkammer stellt dabei die Entflammung dieser zündunwilligen Gemische sicher. Aktive Vorkammerzündungen sind bei großen Gasmotoren bekannt, aber bisher nicht in PKW umsetzbar. Die Nutzung des bereits (gasförmig) verfügbaren Kraftstoffs ermöglicht eine Umsetzung von Vorkammer-zündungen in PKW-Antrieben.
Im beantragten Projekt streben die Partner an, ein tiefes Verständnis für die Wirkzusammenhänge der Vorkammerzündung zu generieren und damit die Basis für die Entwicklung eines Brennverfahrens zu legen, das die oben genannten Vorteile im PKW-Antrieb umsetzten kann. Dabei kann auf die Ergeb-nisse der von den Projektpartnern durchgeführten Vorstudie aufgebaut werden, mit der nachgewiesen werden konnte, dass die Anreicherung der Vorkammer über die Nutzung der Gasphase im Tank mög-lich ist.Grundlegende Studie von Dual-Fuel-Verbrennungsmotoren basierend auf dem Kraftstoffdesign-Konzept
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Januar 2019 - 31. Dezember 2021
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Diesel engines are widely used as power devices in commercial vehicles, engineering and agricultural machineries. However, recent social trends as well as the stringent emissions legislations referring to diesel engines are able to precipitate legislative actions for the partial substitution of diesel by cleaner fuels in the imminent future. China and Germany are both the primary countries of automobile production and sales, and have both joined the Paris Agreement to cope with the global climate change. Th erefore, both countries have the same demand in energy saving and emissions reduction in the transportation field, and the development of high efficiency and clean diesel engine combustion concept s , e.g. dual fuel compression ignition engines, is in line w ith their national strategies. The combustion process in the so called dual fuel engines refers to the compression ignition of the direct ly injected fuel in a premixed gaseous or liquid fuel/air environment. The underlying cause is that in a dual fuel combustion, most of the direct ly injected fuel is burned in the premixed combustion regime and soot formation from the diffusive burn could be significantly reduced. Furthermore, depending on the carbon content of the premixed and directly injected fuel, the d ual fuel operation mode can lead to significant decrease in carbon dioxide emission. The proposed joint research in this project will exploit the complementary facilities and expertise of Shanghai Jiao Tong University (SJTU) and Friedrich Alexander University of Erlangen Nuremberg (FAU) for the development
and optimization of dual fuel engines with low carbon fuels such as natural gas, methanol, dimethyl ether and polyoxymethylene dimethyl ethers. Based on the scientific problems to be addressed and techni ques to be used, FAU will focus on the characterization of the fuel injection , mixing and ignition processes in the dual fuel regime using an in house designed constant volume vessels which is able to provide an ultra high temperature and pressure
environment. T he findings will provide scientific and technical guidance for the development of controllable ignition and highly efficient low emissions combustion strategies for dual fuel engines, which will be conducted by the SJTU team. Additionally, the colla boration between SJTU and FAU will offer a unique training platform for PhD students and early career researchers from both sides. This unique training experience will equip them with skills, knowledge and international vision, contributing to their future careers and also enabling them to
propose possible solutions to global problems in the future.Injection, mixing, and autoignition of e-fuels for CI engines
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Injection, mixing, and autoignition of e-fuels for CI engines
Laufzeit: 1. Oktober 2019 - 30. September 2021
Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
URL: https://www.cornet.online/E-fuels that use regenerative energy will be an important part of future sustainable mobility. They will provide chemical storage of volatile renewable energies and show a huge potential to deliver controlled, clean and efficient combustion for future vehicles. However, their physical-chemical behavior in the internal combustion engine needs to be understood and implemented in simulation tools to reach optimum efficiency and close to zero emissions. Especially oxygenated e-fuels promise to be conducive to clean combustion. Compression ignition (CI) engines offer highest efficiencies but suffer from complex combustion situations in the aim of lowest emissions. This project contributes to sustainable mobility by providing the detailed understanding of the behavior the oxygenated e-fuels in compression-ignition engines.
Strahldiagnostik zukünftiger Dieselkraftstoffe
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Strahldiagnostik zukünftiger Dieselkraftstoffe
Laufzeit: 1. Februar 2019 - 31. Juli 2020
Mittelgeber: andere FörderorganisationEine nachhaltige Mobilität benötigt Speichertechnologien, die es erlauben Energie für Mobilität zu speichern, zu transportieren und weltweit zu marktfähigen Preisen verfügbar zu machen. Angesichts des enormen weltweiten Bedarfs und limitierter Ressourcen sowie der in mobilen Anwendungen erforderlichen hohen Energiedichte kann dieser Bedarf nur teilweise von elektrochemischen Speichern und elektrischen Antrieben bedient werden. Neue nachhaltige Kraftstoffe sind erforderlich und werden derzeit in zahlreichen Forschungsvorhaben untersucht bzw. haben in einer ersten Pilotanwendung als E-Gas (Methan) Einzug in die Serie gehalten. Insbesondere sogenannte Electro-Fuels, in denen regenerativ erzeugter Strom bei hoher Energiedichte gespeichert wird, ermöglichen eine schrittweise Verbesserung der CO2-Bilanz bis hin zu einer CO2-neutralen Mobilität. Zusätzlich zu Treibhausgasen müssen bei verbrennungsmotorischen Antrieben allerdings auch die Schadstoffemissionen auf ein absolutes Minimum reduziert werden, wozu die gemeinsame Entwicklung von Kraftstoff und Brennverfahren neue Entwicklungsmöglichkeiten bietet. Gerade die initiale Mischung von Kraftstoff und Luft, die heute von hoch entwickelten Direkteinspritzsystemen durchgeführt wird, ist ein besonders kritischer Vorgang, da sie alle weiteren Teilprozesse der motorischen Wirkkette beeinflusst. Bisher kann sie nur in engen Grenzen mit Hilfe von Simulationen abgebildet und optimiert werden, da das in Hochdruckeinspritzprozessen erzeugte Spray in seiner Startbedingung am Austritt der Einspritzdüse so dicht ist, dass Untersuchungen des primären Aufbruchs des Einspritzstrahls sehr hohe Anforderungen stellen und nur begrenzt möglich waren. Das Forschungsprojekt setzt modernste Messmethoden zur grundsätzlichen Untersuchung der Gemischbildung von e-fuels ein, um einen optimierten Einsatz neuer Energieträger zu ermöglichen.
2018
Thermodynamisch optimierte Gebäudeklimatisierung
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Januar 2018 - 31. Dezember 2019
Mittelgeber: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StMWIVT) (ab 10/2013)Zur Gebäudeklimatisierung mit den Funktionen Lüftung, Heizung und Kühlung stehen heute vielfältige technische Möglichkeiten zur Verfügung. Während in größeren Gebäuden zunehmend eine bedarfsgerechte Auslegung und Steuerung von Klimatisierungsanlagen erfolgt, greifen kleinere Einheiten auf pauschalisierte Lösungen zurück. Dabei ist nicht nur die optimale Steuerung der pauschalisierten Anlagen im Betrieb begrenzt, sondern schon die Auswahl und Kombination der eingesetzten Klimatisierungstechniken wird durch die Verfügbarkeit einer geeigneten Steuerung begrenzt. Dies gilt von kleinen Anlagen für Einfamilienhäuser, denen mit unterschiedlichen Heizsytemen, Kühlmöglichkeiten im Sommer, eigener Stromerzeugung mittels Photovoltaik und Wärmeerzeugung mittels Solarthermie zunehmende technische Optionen zur Verfügung stehen bis hin zum optimalen Betrieb von Blockheizkraftwerken, die sich auf lokale Bedarfe ebenso optimal einstellen müssen wie auf Randbedingungen aus dem Energieverbund. Diese Randbedingungen sind Daten wie aktuelle Strompreise und immer treffsichere Wettervorhersagen, die eine Vorausssage von Wärmebedarfen und Stromeinspeisungen aus Photovoltaik ermöglichen und heute eine vorausschauende Optimierung von Klimatisierungsanlagen erlauben.
Vorstudie zur Kraftstoffversorgung gespülter Vorkammerzündsysteme
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Vorstudie zur Kraftstoffversorgung gespülter Vorkammerzündsysteme
Laufzeit: 15. November 2018 - 14. Februar 2019
Mittelgeber: andere Förderorganisation
2017
Reduktion der Partikelemission von direkteinspritzenden Ottomotoren
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. August 2017 - 31. Januar 2021
Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
2016
Gemischbildung Qualitativ
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Gemischbildungsverhalten Bio-Ethanol-haltiger Kraftstoffe unter dieselrelevanten Bedingungen
Laufzeit: 1. März 2016 - 28. Februar 2018
Mittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)Ziel dieses Vorhabens war die quantitative Messung der Mischung von unter dieselmotorischen Bedin-gungen eingespritztem Kraftstoff (mit und ohne Bio-Ethanol-Anteil) mit der umgebenden Fluidat-mosphäre. Dieses Vorhaben reichte von der Beschreibung der Mischungsvorgänge in Modellen, über quantitative Messwerterfassung bis hin zur Simulation der Mischungsvorgänge am Rechner. Die ge-wonnenen Ergebnisse ermöglichen eine gezielte Optimierung der Gemischbildung in Dieselmotoren. Dabei steht der Kraftstoff im Fokus, wofür im Projekt neben Bio-Ethanol, auch der Reinstoff Dekan ver-wendet wurde. Für die Übertragung auf anwendbare Systeme wurden zusätzlich Realkraftstoffe wie Biodiesel (RME), Referenzdieselkraftstoff und Gas-to-Liquid (GtL) Diesel verwendet, sowie verschie-dene Gemische (Blends) der vorgenannten Kraftstoffe. Basierend auf Mie-Streulicht-, Schlieren- und quantitativen Messungen mittels Raman-Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass das Air-Ent-rainment und die daraus resultierende Gemischverteilung weitestgehend kraftstoff-unabhängig sind. Die Gemischbildung ist nicht nur eine, wie oft in einschlägiger Literatur dargestellte Abfolge von Primärzer-fall und Sekundärzerfall, sondern wird maßgeblich vom initialen Kraftstoffimpuls dominiert.
2015
Alternative erneuerbare Kraftstoffe aus Kunststoffabfall und ihre Verbrennungs- und Emissionseigenschaften in der Dieselmotorischen Verbrennung
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Juli 2015 - 30. Juni 2017
Mittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)DualFlame – Modellierung und Optimierung des Diesel/Gas-Brennverfahrens
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: DualFlame – Modellierung und Optimierung des Diesel/Gas-Brennverfahrens
Laufzeit: 1. Juli 2015 - 30. Juni 2018
Mittelgeber: andere FörderorganisationDas Dual Fuel Brennverfahren kombiniert die Kompressionszündung des Dieselprozesses mit der
vorgemischten Magerverbrennung des Gasmotors. Die Abläufe sind äußerst komplex und noch nicht
im Detail verstanden. Auf der einen Seite sind die Strahlaufbereitung und Zündung des
Dieselkraftstoffs im Brenngas zu berücksichtigen, auf der anderen Seite die magere vorgemischte
Verbrennung des Gasmotors, das Verlöschen der Flamme und die klopfende Verbrennung.
Im Rahmen des angesuchten Projekts sollen die kinetisch kontrollierten Prozesse des
motorischen Flammenlöschens und der daraus resultierenden treibhauswirksamen
Kohlenwasserstoff-Emissionen sowie der klopfenden Verbrennung detailliert erforscht werden.
Herausgearbeitet werden sollen:
* Zonen mit verlöschender Flamme (Gasphase, Wände, Spalte)
* Einfluss der motorischen zyklischen Schwankungen und des Zündverzugs auf das Verlöschen der
Flamme und die Nachoxidation der Kohlenwasserstoffe
* Einfluss der Gemischzusammensetzung (Brenngas, Inertgas, Luft-Brenngas-Verhältnis) auf das
Löschen der Flamme und die Kohlenwasserstoff-Emissionen
* Übergang von Betriebspunkten mit hohen Kohlenwasserstoff-Emissionen zur klopfenden
Verbrennung durch Anreicherung des GasgemischsEffect of 4500bar injection pressure and super-critical phase change of surrogate and real-world fuels enriched with additives and powering Diesel engines on soot emissions reduction
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: IPPAD
Laufzeit: 1. September 2015 - 31. August 2019
Mittelgeber: Innovative Training Networks (ITN)Reduction of soot emissions from Diesel engines will be explored by utilising simultaneously (a) injection pressure between 2000-4500bar, (b) engine operation at supercritical conditions relative to the injected fuel’s critical point and (c) additives that improve atomisation and reduce pollutant formation. The detailed processes of nozzle flow cavitation/boiling, atomisation, phase-change and mixing, combustion and soot emissions under such conditions will be explored both experimentally and computationally. Experimental techniques include fuel property measurements, optical/laser diagnostics, high speed imaging, micro CT and high energy X-rays. Tests will be performed in CVC, optical engines, single-cylinder and production engine test beds. Identification of nozzle’s internal geometry and testing of clean and aged injectors with internal deposits build-up is central to the programme. Simulation tools to be developed include molecular-structure-based equation of state for the properties of surrogate, ‘summer’ Diesel and low quality Diesel fuels enriched with additives at elevated pressures/ temperatures, DNS for bubble dynamics, cavitation and fuel atomisation, and soot oxidation in LES/RANS models coupling the in-nozzle flow with the macroscopic fuel spray development, mixing and pollutant formation in engines. The validated simulation models will be used as design tools to industrial development of fuels, fuel injection systems and Diesel engines. The 15 EU-funded ESRs plus 1 ESR funded independently by industry, will be recruited/seconded by universities, research centres and multinational engine, fuel injection system, fuel and fuel additives manufacturers from the EU, US, China, Japan and S.Korea. The new tests and the developed simulation tools, currently missing from the literature, will allow for an environmental assessment of the tested technologies at ‘real-world’ operating conditions, underpinning the forthcoming 2020 EU emission reduction directives.
Messtechnische Erfassung des Strahlaufbruchs von Diesel-Sprays im Düsennahbereich
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Dezember 2015 - 30. November 2017
Mittelgeber: AIF Arbeitsgemeinschaft industrieller ForschungsvereinigungenDer aus der Düseninnenströmung von Kraftstoffinjektoren am Düsenaustritt resultierende Strahlaufbruch stellt die Anfangsbedingung motorischer Gemischbildungsprozesse dar. Sehr hohe Spraydichte, kleine Skalen und sehr hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten limitieren bis heute die Abbildung dieses Spraybereichs in der Simulation. Die Weiterentwicklung ausgewähl-ter aktueller Messmethoden soll den primären Strahlaufbruch messtechnisch zu erschließen. Der Einsatz unterschiedlicher Messprinzipien dient dazu Ergebnisse durch detaillierte Verglei-che zu verifizieren und andererseits komplementär zu ergänzen. Erfasst werden die Strahlstruk-tur, die Spraydichte und Ausbreitungsgeschwindigkeiten in hoher zeitlicher und räumlicher Auf-lösung.
2014
Wärmeübergang an Hochleistungs-Dieselmotoren-Kolben
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)Laufzeit: 1. Juli 2014 - 31. Dezember 2017
Mittelgeber: Bayerische Forschungsstiftung
2012
Anwendung von Wasserstoff
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)Titel des Gesamtprojektes: Bayerisches Wasserstoffzentrum
Laufzeit: 1. Januar 2012 - 31. Dezember 2016
Mittelgeber: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StMWIVT) (ab 10/2013)
URL: https://www.bh2c.de/Im Teilprojekt III werden Technologiebedarf, erreichbare Leistungen und Integration in den LOHCSystemverbund für die (Rück-)Verstromung von Wasserstoff mit thermischen Maschinen untersucht.
Betrachtet werden die drei in der Energietechnik bedeutendsten thermischen Maschinen - Gasturbinen
(TP III.1.1), Hubkolbenmotoren (TP III.1.2) und Dampfkraftprozesse (TP III.1.3). Für alle drei
Anlagentypen ist die wärmetechnische Integration der Maschinen in das Gesamtsystem entscheidend für
die erreichbaren Wirkungsgrade. Die Verbundeffizienz profitiert maßgeblich durch Nutzung von Abwärmen
der thermischen Prozesse, setzt jedoch auch Grenzen in der Optimierung der thermischen Maschinen,
damit eine für die Dehydrierung ausreichende Wärmeenergie zur Verfügung steht. Im optimierten Fall
übersteigt der Wärmebedarf der Dehydrierung des LOHC Marlotherm die verfügbare Abwärme sowohl der
Turbine als in geringerem Umfang auch des Motors. Spezifisch für die drei Wärmekraftprozesse müssen
die Maschinen für den Wasserstoffbetrieb und die im Projektverbund ermittelten speziellen
Randbedingungen der LOHC Technologie betrachtet werden.TwinJet -- Neues Doppelstrahl Zerstäubungskonzept
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Juni 2012 - 30. November 2014
Mittelgeber: Bayerische ForschungsstiftungDas Forschungsprojekt AZ-1004-11 „TWIN-JET“ umfasste die beiden Hauptziele einer Potentialanalyse des Zerstäubungsprinzips mit neuartigen Doppelstrahl-Sprayinjektoren einerseits und andererseits die Verifikation von Pulsationsdämpfern aus porösen Werkstoffen für moderne Common-Rail Einspritzsysteme. Die Projektpartner bestanden aus den beiden Hochschulinstituten Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik (iPAT) und Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Zudem waren die Industriepartner Bayerische Motoren Werke AG (BMW), Robert Bosch GmbH (Bosch), FMP Technology GmbH (FMP) und Geiger Fertigungstechnologie GmbH (Geiger) beteiligt.
Die Aufgabe des LTT bestand in der Untersuchung der Sprayeigenschaften von Twin-Jet Sprays mittels optischer Messtechniken im Vergleich zu konventionellen Freistrahlsprays. Untersuchungen wurden für eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsbedigungen durchgeführt, die in der Benzindirekteinspritzung auftreten. Des Weiteren war der Lehrstuhl für die Adaption der neuartigen Injektoren an den Transparentmotor und die optische Untersuchung der Gemischbildung im Motor verantwortlich.
2011
Wirkkette Direkteingespritzter Kraftstoffe im Ottomotor
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)Laufzeit: 1. Januar 2011 - 30. Juni 2014
Mittelgeber: Bayerische ForschungsstiftungIn dem BFS-Forschungsprojekt WiDiKO Wirkkette Direkteingespritzter Kraftstoffe im Ottomotor wurde der Einfluss einzelner Kraftstoffkomponenten (teils biogener Bestandteile) auf die ottomotorische Wirkkette beginnend bei der Sprayausbreitung über das Verdampfungsverhalten bis hin zur Entzündung und Flammenausbreitung für direkteinspritzende Ottomotoren experimentell untersucht, physikalisch basiert modelliert und damit einer Simulation zugänglich gemacht. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die unterschiedlichen Eigenschaften der in Ottokraftstoffen enthaltenen Komponenten sich unter den Temperatur- und Druckbedingungen, wie sie in modernen ottomotorischen Verfahren vorliegen, erheblich auswirken, indem sie das Sprayverhalten in der Benzindirekteinspritzung signifikant beeinflussen, während der Verdampfung eine teilweise Separation der Komponenten auftreten kann und die Komponenten deutliche Unterschiede im Zündungs- und Flammenausbreitungsverhalten zeigen. Das Projekt konnte in den genannten Punkten den Stand des Wissens erweitern, dadurch, dass das Verhalten von Mehrkomponenten-Kraftstoffen besser verstanden, modelliert und so einer fundierten Simulation zugänglich gemacht werden konnte. Insbesondere zeigte sich für die häufig als biogene Bestandteile genutzten kurzkettigen Alkohole (Ethanol, Butanol) in der Mischung mit mineralölbasierten Kohlenwasserstoffen in der Verdampfung ein betriebspunktabhängiges Verhalten. Die korrekte Abbildung der Mischungsthermodynamik für Ethanol-haltige Kraftstoffe in einem Verdampfungsmodell ist ein wesentliches Projektergebnis. Hinsichtlich der Zündbedingungen zeigte sich der Einspritzzeitpunkt als über die Verdampfungskühlung dominanter Einfluss. In der Flammenausbreitung konnten alle gemessenen Daten (Reinstoffe, binäre und ternäre Mischungen, Benzin und Restgaseinfluss) sehr gut mit Daten zur laminaren Flammengeschwindigkeit korreliert werden. Zur Messung dieser laminaren Brenngeschwindigkeiten von flüssigen Kohlenwasserstoffen konnte an beiden beteiligten Instituten kooperativ eine neue Messmethode („Heat-Flux-Brenner“) etabliert werden. Neben zahlreichen Veröffentlichungen hat das Forschungsprojekt zu gemeinsamen weiteren Forschungsaktivitäten geführt (erfolgreiche Beantragung einer Nachwuchsgruppe beim BMEL, laufende Anträge bei der FVV und der FNR). Die bei BMW genutzte und industriell verbreitete 0D/1D Simulation von motorischen Vorgängen konnte in diesem Projekt maßgeblich profitieren, als auch zur Validierung der Abhängigkeiten zwischen Zündung und Verbrennung beitragen. Hier sind besonders die Wechselwirkungen der Projektergebnisse im Bereich der laminaren Flammengeschwindigkeiten erwähnenswert.
Das Gesamtprojekt gliedert sich in drei Teilprojekte:
Teilprojekt A (LTT Erlangen): Experimentelle Untersuchung des komponenten-abhängigen Sprayverhaltens, des Verdampfungsverhaltens und der Verbrennung
Teilprojekt B (IEC Freiberg): Simulation der Sprayausbreitung und Verdampfung für Ein- und Mehrkomponentenkraftstoffe
Teilprojekt C (BMW AG): Motorisches Verbrennungsmodell für aktuelle Ottomotoren
Im Teilprojekt A (LTT Erlangen) wurden Sprayverhalten, Verdampfung und Verbrennung experimentell untersucht. Zur systematischen Untersuchung des Einflusses verschiedener Kraftstoffeigenschaften wurden 1- bis 3-Komponenten-Kraftstoffe im Vergleich zu dem Multi-Komponenten-Gemisch Benzin untersucht. Bereits in der Ausbreitung der flüssigen Kraftstoffphase zeigen sich Unterschiede bis zu einer Verdopplung der Eindringtiefe bei bestimmten Betriebsbedingungen und Kraftstoffzusammensetzungen. Im Verdampfungsverhalten zeigt sich bei moderaten Umgebungsbedingungen der Siedepunkt/der Siedeverlauf als bestimmende Eigenschaft, während bei hohen Temperaturen die Verdampfungsenthalpie dominiert. Auf diese Weise dominieren Alkohole, die Benzinen als regenerative Komponenten zugemischt werden, in diesem Fall das Verdampfungsverhalten des Gemisches. In den Untersuchungen zum Verbrennungsverhalten zeigte sich die laminare Flammengeschwindigkeit auch unter den stark geschichteten Bedingungen einer Sprayverbrennung als wesentliche Einflussgröße. Durch Einführung der Heat-Flux-Methode konnten laminare Flammengeschwindigkeiten für verschiedene flüssige Kohlenwasserstoffe (Ein- und Mehrkomponentenkraftstoffe, Variation von Temperatur, und Restgasanteil) experimentell bestimmt werden.
Im Teilprojekt B wurde die Verdampfung und Gemischbildung von Mehrkomponentenkraftstoffen detailliert numerisch untersucht. Hierbei wurden aufbauend auf einer umfangreichen Untersuchung zur Gemischphasenthermodynamik sowohl Einzeltropfen als auch motorische Sprays analysiert. Notwendige Modellerweiterungen wurden in die Simulation integriert und mit Daten aus der Literatur und den Spray-Messwerten aus Erlangen abgeglichen. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen deutlich die enge Verbindung zwischen Experiment und Simulation, da nur so die implementierten Modelle validiert werden können. Es konnten sehr gute Übereinstimmungen zwischen den experimentellen Daten vom LTT Erlangen und den Simulationsergebnissen erreicht werden. Auf Basis der gewählten Mischungen wurden relevante thermodynamische Effekte identifiziert, die einen signifikanten Einfluss auf die Dampfverteilung haben. Die Thermodynamik der Gemische kann sehr gut mit Aktivitätsmodellen abgebildet werden. Eine flexible Variante stellt dabei die Methode UNIFAC dar, da diese für beliebige Kohlenwasserstoffmischungen anwendbar ist. Die differentielle Verdampfung führt zu einer Schichtung der Komponenten in der Gasphase mit Einfluss auf Verbrennungs- und Schadstoffbildungsverhalten. Im Rahmen des Projekts wurde insbesondere das Verbrennungs-verhalten, hier die Brenngeschwindigkeit, untersucht. Die laminaren Brenngeschwindigkeiten der betrachteten Mischungen können im Vergleich mit dem Experiment im Trend gut abgebildet werden.
Im Teilprojekt C wurde bei BMW die Einsetzbarkeit von 0D/1D Verfahren für die Simulation motorischer Verbrennungsprozesse geprüft. Dabei wurde festgestellt, dass die „Anbrenn“-Phase in der Modellbildung besondere Aufmerksamkeit benötigt. Dies liegt darin begründet, dass sich ein Fehler in der Bewertung des Brennverzugs (Zeitpunkt vom Zündfunken bis zur merklichen Wärmefreisetzung) durch den kompletten Verbrennungsablauf zieht. Damit würden im Folgenden die motorischen Zielgrößen wie Mitteldruck, Drehmoment und Abgastemperatur falsch bewertet [Gra12]. Im Bereich des „Anbrennens“ ist vor allem die Kenntnis der laminaren Brenngeschwindigkeit von großer Bedeutung. Gängige Formulierungen für die Anwendung in der 0D Simulation haben allerdings große Schwächen in ihrem thermodynamischen Wertebereich insbesondere auch bei neueren Kraftstoffzusammensetzungen [Kop09]. Hier können die neuen Erkenntnisse vom LTT Erlangen direkt für eine Modellbildung genutzt werden. Die thermodynamischen Eingangsgrößen für die Dauer des Brennverzugs sind zusätzlich sehr stark von den Brennraumtemperaturen abhängig. Im Teilprojekt C wurde gezeigt, dass die Verdampfungskühlung durch die Kraftstoffdirekteinspritzung einer 0D Simulation unter instantanen Annahmen sehr gut zugänglich ist [Müh10]. Weiterhin wurde aber auch deutlich, dass ein direkter Übertrag der Hochdruck-Kammer Messungen aus Erlangen nicht darstellbar ist, da sich aktuell nicht alle experimentellen Einflussgrößen auf die Verbrennung (insb. Turbulenz und Strömungsdynamik) integral bestimmen bzw. am Prüfstand „klinisch“ variieren lassen.