Modellierung der Flammenausbreitung nach Vorentflammung in sehr mager betriebenen, langsam-laufenden Gas-Schiffsmotoren

Ausgangslage

Mit der Verschärfung der Emissionsgesetzgebung in Bezug auf Stickoxide (NO_X) und Schwefeloxide (SO_X), aber auch im Hinblick auf die Dekarbonisierung gewinnen Gasmotoren in der Hochseeschifffahrt zunehmend an Bedeutung. Im Vergleich zu herkömmlichen Dieselmotoren bietet die Gas/Dual-Fuel-Technologie erhebliche Vorteile – daher ist der Marktanteil von Dual-Fuel-Motoren in den letzten Jahren rasant gestiegen. Der maximal erreichbare Wirkungsgrad solcher Dual-Fuel-Schiffsmotoren (durch Erhöhung der Zylinderdrücke und -temperaturen) wird häufig durch das Auftreten von Vorentflammung begrenzt. Diese zu frühe und unkontrollierte Zündung der Zylinderladung kann zu sehr hohen Spitzendrücken führen, die eine hohe mechanische und thermische Belastung der Bauteile zur Folge haben und deren (vorzeitige) Ermüdung begünstigen, aber auch zu einer erhöhten Schadstoffbildung führen. In grossen, langsam laufenden Schiffsmotoren wird die Vorentflammung durch Schmieröltropfen ausgelöst, die hauptsächlich aus Schmierstellen im Zylinder freigesetzt werden.

Abbildung 1: Flex-OeCoS Prüfstand am ITFE zur optischen und thermodynamischen Untersuchung von modernen Kraftstoffen und Verbrennungsprozessen.

Ziele

Ziel des Projekts ist es zu untersuchen, wie sich eine Flammenfront, die durch eine schmierölinduzierte Vorentflammung entsteht, ausbreitet und mit der Flammenfront, die sich von der regulären Zündquelle her ausbreitet, interagiert. Dabei wird auch untersucht, unter welchen motorischen Bedingungen eine Vorentflammung überhaupt auftritt, und mit welchen Massnahmen sie eingeschränkt oder ganz verhindert werden kann. Im Fokus steht dabei der Betrieb mit alternativen, kohlenstoffarmen oder -freien Kraftstoffen wie Methan (CH₄), Methan-Wasserstoffgemischen (CH₄/H₂) und Ammoniak (NH₃). Die Entwicklung eines schnellen 0D/1D Vorentflammungsmodells soll zukünftig helfen, das Auftreten von schmierölinduzierten Vorentflammungen unter den gegebenen motorischen Bedingungen vorhersagen zu können.

Ergebnisse

Am optischen Versuchsträger «Flex-OeCoS» (Abbildung 1) wurde eine umfangreiche Versuchsreihe unter der Variation diverser motorrelevanter Parameter wie Kompressionsdruck und -temperatur, Strömungsverhältnisse (Turbulenz) im Brennraum, Gemischzusammensetzung, Einspritzparameter für die Erzeugung der Schmieröltropfen sowie der regulären Zündquelle (z.B. Pilotkraftstoff-Einspritzung oder Vorkammer-Zündstrahl) durchgeführt. Der Einfluss der Viskosität des Schmieröls auf das Phänomen wurde ebenfalls untersucht. Aus der Analyse der optischen und thermodynamischen Daten (Abbildung 2) konnten sowohl primäre als auch sekundäre Einflüsse identifiziert werden, die das Auftreten und den Zeitpunkt von Vorentflammungen der Zylinderladung beeinflussen. Entsprechende Simulationsergebnisse zeigten, dass das Phänomen der schmierölinduzierten Vorentflammung eine sehr starke Temperatursensitivität aufweist und bereits einzelne Schmieröltropfen mit einem Gewicht von wenigen Mikrogramm eine vorgemischte Zylinderladung entzünden können, was durch die am Prüfstand gewonnenen experimentellen Daten bestätigt werden konnte. Aus diesen Erkenntnissen wurden in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen mögliche Massnahmen erarbeitet, die durch eine Anpassung des Motorbetriebs die schmierölinduzierte Flammenausbreitung eindämmen können. Das Simulationsmodell dient zudem auch als Entwicklungstool, mit dem angedachte Betriebsstrategien auf ihre Anfälligkeit gegenüber Vorentflammung überprüft werden können.

Abbildung 2 Links: Anteil der durch schmierölinduzierte Vorentflammung freigesetzten Energie an der gesamten Wärmefreisetzung in Abhängigkeit vom regulären Zündzeitpunkt (Zeitpunkt der Piloteinspritzung). Mitte: Zylinderdruckverlauf für Zyklen mit schmierölinduzierter Vorentflammung. Rechts: Dazugehörige high-speed Schlierenbilder (schwarz-weiss) mit überlagerten OH*-Chemilumineszenzbildern (verbrannte Zonen durch Vorentflammung (Magenta) resp. durch die reguläre Zündung (grün)).