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Weiterentwicklung alternativer Motorkonzepte

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze

Prüfstandsaufbau des Kurbelschlaufenmotors

© TU Braunschweig

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 3Realisierung
Standort Institut für Verbrennungskraftmschinen, 38106 Braunschweig, Niedersachsen
Projektfahrplan Analyse, thermodynamische Optimierung und Weiterentwicklung der Motorkonzepte.
Träger TU Braunschweig (Institut für Verbrennungskraftmaschinen)
Projektthemen

Projektbeschreibung

Ausgelöst durch die Forderung, die anthropogene CO2-Emission und den Verbrauch an fossilen Kraftstoffen zu verringern, gibt es intensive Bestrebungen, den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren zu steigern und diese mit biogen erzeugten Kraftstoffen zu betreiben.

Ein solcher Kraftstoff ist Biogas. Bei dessen Erzeugung entstehen jedoch unerwünschte Nebenprodukte wie  Schwefelwasserstoff. Bei kleinen, dezentralen Anlagen ist eine Reinigung des Gases zu aufwendig und damit unwirtschaftlich. Daraus resultiert der Wunsch, das unbehandelte Gas in Motoren zu verbrennen, um elektrische Energie zu erzeugen. Die bei der Verbrennung entstehenden aggressiven Produkte von Schwefelwasserstoff gelangen bei konventionellen Motoren über das Blow-By-Gas in das Schmieröl und lassen dieses sehr schnell altern. Dies bedingt häufige Ölwechsel,  um Motorschäden zu vermeiden.

Einen weiteren, bislang nur wenig genutzten Ansatz, stellt die Kraft-Wärme-Kopplung in kleinen, dezentralen Anlagen zur Einsparung von Energie dar. Die für diesen Zweck derzeit im Markt verfügbaren Motoren weisen zumeist nur mäßige Wirkungsgrade auf. Weiterhin sind sie nicht in der Lage, reines Pflanzenöl zu verbrennen. Ein mögliches Anwendungsfeld, nämlich der Einsatz in landwirtschaftlichen Betrieben, ist somit derzeit nicht erschließbar.

Mögliche Ansätze zur Nutzung dieser Potentiale bieten der Gegenkolbenmotor sowie der Kurbelschlaufenmotor.

Projekt

Im Rahmen des Projekts werden zwei Motorkonzepte untersucht, die jeweils als Prototyp verfügbar sind.

Das erste zu untersuchende Konzept basiert auf der bereits erprobten Gegenkolbentechnologie. Diese zeichnete sich in der Vergangenheit durch hohe Wirkungsgrade sowie einen relativ einfachen Aufbau mit wenigen bewegten Teilen aus. Der vorhandene Prototyp weist neuartige Konstruktionsmerkmale auf, die einen gegenüber herkömmlichen Gegenkolbenmotoren gesteigerten Wirkungsgrad sowie eine verbesserte Pflanzenöltauglichkeit erwarten lassen.

Das zweite zu untersuchende Konzept basiert auf der Kurbelschlaufentechnologie der Fa. Ficht. Aufgrund des Kurbelschlaufenprinzips, welches eine reine Linearbewegung der Kurbelstangen bewirkt, sind Kurbeltrieb und Zylinder getrennt. Ein Blow-By-Gas im üblichen Sinne gibt es daher nicht. Dies ermöglicht bei Einsatz aggressiver Gase eine Reduzierung der Ölalterung.

Konzept

Beide Konzepte werden im ersten Arbeitspaket auf dem Prüfstand hinsichtlich:

  • Leistung
  • Kraftstoffverbrauch
  • Emissionen
  • Indizierung und Druckverlaufsanalyse
  • Analyse des Ladungswechsels

untersucht. Für den Gegenkolbenmotor werden weiterhin Ölverbrauch, Bauteiltemperaturen sowie die Zylinderinnenströmung analysiert sowie ein Dauerlaufversuch durchgeführt. Erste Optimierungen hinsichtlich Luftverhältnis und Zündzeitpunkt des Kurbelschlaufenmotors erfolgen ebenfalls.

Im zweiten Arbeitspaket werden die Potenziale der Konzepte rechnerisch untersucht. Auf Basis der Messdaten wird eine Parameterstudie durchgeführt, um die Konkurrenzfähigkeit der Konzepte festzustellen. Der Hauptfokus liegt dabei auf dem Wirkungsgrad. Als freie konstruktive Parameter werden das Verdichtungsverhältnis sowie die Steuerzeiten des Kurbelschlaufenmotors einbezogen. Anschließend werden die rechnerischen Ergebnisse experimentell verifiziert. Abschließend erfolgt eine theoretische Betrachtung einer Gasdirekteinblasung hinsichtlich ihres Einflusses auf den Gesamtwirkungsgrad des Motors.

Im dritten Arbeitspaket wird ein neuer Prototyp des Gegenkolbenmotors ausgelegt und gefertigt. Abhängig von den gewonnen Erkenntnissen kann dies folgende Gebiete betreffen:

  • Hauptabmessungen
  • Luft- und Abgasführung, Schlitzkonfiguration
  • Steuerzeiten
  • Einspritzung
  • Brennverfahren
  • Mechanische Komponenten.

Der weiterentwickelte Prototyp wird anschließend analog zu ersten Arbeitspaket am Prüfstand vermessen und analysiert. Abschließend erfolgt eine Optimierung der Parameter

  • Einspritzdüsenkonfiguration
  • Einspritzdruck
  • Einspritzmuster und –zeitpunkte
  • Schlitzkonfiguration
  • Aufladung

sowie eine erneute Langzeiterprobung der mechanischen Komponenten. 

Finanzierung

Das Projekt wird vom BMWi im Rahmen der Forschungsinitiative EnEff:Wärme gefördert.

Evaluierung

Die Ergebnisse des Projekts werden mit aktuell verfügbaren Motoren für die jeweiligen Einsatzgebiete verglichen und anschließend bewertet. Weiterhin werden mögliche neue Anwendungsfelder identifiziert. 

Publikationen zum Projekt
  • Untersuchung und Weiterentwicklung alternativer Motorenkonzepte,
    BMWi/PTJ/DLR, Statusseminar "Perspektiven der KWK-Technologie",
    Stuttgart (2010)