Untersuchung der Zündung von Biogas in einem optisch zugänglichen Motor mit aktiver Vorkammer: Investigation of the ignition of biogas in an optically accessible engine with active pre-chamber

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Authors

  • Jan Wichmar

Research Organisations

View graph of relations

Details

Original languageGerman
QualificationDoctor of Engineering
Awarding Institution
Supervised by
  • Friedrich Dinkelacker, Supervisor
Date of Award9 Jul 2024
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 2024

Abstract

The use of renewable energies such as electricity and heat from biogas plays a crucial role in transitioning to a sustainable energy system. Improving efficiency and reduc-ing emissions are additional measures on the path to achieving set climate goals. When utilizing biogas in cogeneration plants, a lean combustion process is recom-mended to reduce nitrogen oxides while maintaining high efficiency. The use of active pre-chamber ignition shows great potential in this regard, but there is currently a lack of sufficient data specifically related to biogas. Due to numerous influencing factors, active pre-chamber ignition is a complex and challenging process. This study focuses on investigating the combustion process in terms of fundamental design parameters and their impact on the potential and opera-tional limits of pre-chamber ignition with biogas. To examine this, extensive experiments were conducted on an optically accessible engine using biogas with 60 percent methane content as the fuel and various pre-chamber configurations. Simultaneous recording of schlieren and OH* chemilumines-cence during combustion provides valuable insights into the ignition of the main com-bustion chamber by the pre-chamber jets. The experiments were divided into investi-gations of pre-chamber ignition with and without ignition of the main combustion chamber. Additionally, the influence of biogas quality was compared using pure me-thane as a baseline case. The results show very good combustion stability over wide ranges and a positive in-fluence of pressure difference on combustion duration. Two parameter-dependent operational limits for pre-chamber ignition were identified. Upon reaching the lean limit of the main combustion chamber, combustion efficiency gradually decreases due to slowed flame propagation. The extinction limit is defined by the extinguishing of the jet flames upon exceeding a critical pressure difference. By selectively choosing pre-chamber and operating parameters, an optimum between both limits can be achieved. A key parameter for this is the pre-chamber air ratio, which shifts the ex-tinction limit to higher critical pressures in the rich region and, in combination with the nozzle cross-section, determines the resulting pressure differences.

Sustainable Development Goals

Cite this

Wichmar J. Untersuchung der Zündung von Biogas in einem optisch zugänglichen Motor mit aktiver Vorkammer: Investigation of the ignition of biogas in an optically accessible engine with active pre-chamber. Hannover, 2024. 152 p. ( Berichte aus dem ITV : wissenschaftliche Schriftenreihe des Instituts für Technische Verbrennung der Leibniz-Universität Hannover). doi: 10.15488/18038, 10.51202/9783959009935
Download
@phdthesis{ee908a78ec4947179fb20be27035b4c4,
title = "Untersuchung der Z{\"u}ndung von Biogas in einem optisch zug{\"a}nglichen Motor mit aktiver Vorkammer: Investigation of the ignition of biogas in an optically accessible engine with active pre-chamber",
abstract = "Die Nutzung erneuerbarer Energien wie Strom und W{\"a}rme aus Biogas spielt eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf ein nachhaltiges Energiesystem. Die Verbesserung der Effizienz und die Reduktion von Emissionen sind weitere Ma{\ss}-nahmen auf dem Weg zur Erreichung der gesetzten Klimaziele. Bei der Nutzung von Biogas in Blockheizkraftwerken bietet sich ein mageres Brennverfahren an, um ins-besondere die Stickoxide bei gleichzeitig hoher Effizienz zu reduzieren. Die Z{\"u}ndung mittels aktiver Vorkammer bietet diesbez{\"u}glich gro{\ss}es Potenzial, jedoch fehlt in Be-zug auf Biogas noch eine ausreichende Datenbasis. Aufgrund vieler Einflussfaktoren ist die Z{\"u}ndung mittels aktiver Vorkammer ein komplexer und anspruchsvoller Prozess. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Unter-suchung des Brennverfahrens in Bezug auf grundlegende Auslegungsparameter und deren Auswirkung auf das Potenzial und die Betriebsgrenzen der Vorkammerz{\"u}n-dung mit Biogas. Um dies zu untersuchen, wurden umfangreiche Experimente an einem optisch zu-g{\"a}nglichen Motor mit einem Biogas mit 60 Prozent Methananteil als Brenngas und verschiedenen Vorkammervarianten durchgef{\"u}hrt. Die simultane Aufzeichnung von Schlieren und OH*-Eigenleuchten w{\"a}hrend der Verbrennung erm{\"o}glicht wertvolle Erkenntnisse zur Entflammung des Hauptbrennraums durch die Vorkammerfackeln. Die Experimente wurden in die Untersuchung der Vorkammerz{\"u}ndung mit und ohne Entz{\"u}ndung des Hauptbrennraums unterteilt. Vergleichend wurde auch der Einfluss der Biogasqualit{\"a}t unter Verwendung von reinem Methan als Basisfall untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Verbrennungsstabilit{\"a}t {\"u}ber breite Bereiche und einen positiven Einfluss des Differenzdruckes auf die Brenndauer. Es wurden zwei parameterabh{\"a}ngige Betriebsgrenzen f{\"u}r die Vorkammerz{\"u}ndung identifiziert. Bei Erreichen der Magergrenze des Hauptbrennraumes nimmt die Verbrennungseffi-zienz aufgrund der verlangsamten Flammenausbreitung sukzessive ab. Die Verl{\"o}sch-grenze ist durch das Verl{\"o}schen der Fackelstrahlen bei {\"U}berschreiten eines kriti-schen Differenzdruckes definiert. Durch die gezielte Auswahl der Vorkammer- und Betriebsparameter kann ein Optimum zwischen beiden Grenzen erreicht werden. Ein zentraler Parameter hierf{\"u}r ist das Vorkammerluftverh{\"a}ltnis, das im fetten Bereich die Verl{\"o}schgrenze zu h{\"o}heren kritischen Dr{\"u}cken verschiebt und in Kombination mit dem Bohrungsquerschnitt die resultierenden Differenzdr{\"u}cke bestimmt.",
author = "Jan Wichmar",
year = "2024",
doi = "10.15488/18038",
language = "Deutsch",
series = " Berichte aus dem ITV : wissenschaftliche Schriftenreihe des Instituts f{\"u}r Technische Verbrennung der Leibniz-Universit{\"a}t Hannover",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

Download

TY - BOOK

T1 - Untersuchung der Zündung von Biogas in einem optisch zugänglichen Motor mit aktiver Vorkammer

T2 - Investigation of the ignition of biogas in an optically accessible engine with active pre-chamber

AU - Wichmar, Jan

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Die Nutzung erneuerbarer Energien wie Strom und Wärme aus Biogas spielt eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf ein nachhaltiges Energiesystem. Die Verbesserung der Effizienz und die Reduktion von Emissionen sind weitere Maß-nahmen auf dem Weg zur Erreichung der gesetzten Klimaziele. Bei der Nutzung von Biogas in Blockheizkraftwerken bietet sich ein mageres Brennverfahren an, um ins-besondere die Stickoxide bei gleichzeitig hoher Effizienz zu reduzieren. Die Zündung mittels aktiver Vorkammer bietet diesbezüglich großes Potenzial, jedoch fehlt in Be-zug auf Biogas noch eine ausreichende Datenbasis. Aufgrund vieler Einflussfaktoren ist die Zündung mittels aktiver Vorkammer ein komplexer und anspruchsvoller Prozess. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Unter-suchung des Brennverfahrens in Bezug auf grundlegende Auslegungsparameter und deren Auswirkung auf das Potenzial und die Betriebsgrenzen der Vorkammerzün-dung mit Biogas. Um dies zu untersuchen, wurden umfangreiche Experimente an einem optisch zu-gänglichen Motor mit einem Biogas mit 60 Prozent Methananteil als Brenngas und verschiedenen Vorkammervarianten durchgeführt. Die simultane Aufzeichnung von Schlieren und OH*-Eigenleuchten während der Verbrennung ermöglicht wertvolle Erkenntnisse zur Entflammung des Hauptbrennraums durch die Vorkammerfackeln. Die Experimente wurden in die Untersuchung der Vorkammerzündung mit und ohne Entzündung des Hauptbrennraums unterteilt. Vergleichend wurde auch der Einfluss der Biogasqualität unter Verwendung von reinem Methan als Basisfall untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Verbrennungsstabilität über breite Bereiche und einen positiven Einfluss des Differenzdruckes auf die Brenndauer. Es wurden zwei parameterabhängige Betriebsgrenzen für die Vorkammerzündung identifiziert. Bei Erreichen der Magergrenze des Hauptbrennraumes nimmt die Verbrennungseffi-zienz aufgrund der verlangsamten Flammenausbreitung sukzessive ab. Die Verlösch-grenze ist durch das Verlöschen der Fackelstrahlen bei Überschreiten eines kriti-schen Differenzdruckes definiert. Durch die gezielte Auswahl der Vorkammer- und Betriebsparameter kann ein Optimum zwischen beiden Grenzen erreicht werden. Ein zentraler Parameter hierfür ist das Vorkammerluftverhältnis, das im fetten Bereich die Verlöschgrenze zu höheren kritischen Drücken verschiebt und in Kombination mit dem Bohrungsquerschnitt die resultierenden Differenzdrücke bestimmt.

AB - Die Nutzung erneuerbarer Energien wie Strom und Wärme aus Biogas spielt eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf ein nachhaltiges Energiesystem. Die Verbesserung der Effizienz und die Reduktion von Emissionen sind weitere Maß-nahmen auf dem Weg zur Erreichung der gesetzten Klimaziele. Bei der Nutzung von Biogas in Blockheizkraftwerken bietet sich ein mageres Brennverfahren an, um ins-besondere die Stickoxide bei gleichzeitig hoher Effizienz zu reduzieren. Die Zündung mittels aktiver Vorkammer bietet diesbezüglich großes Potenzial, jedoch fehlt in Be-zug auf Biogas noch eine ausreichende Datenbasis. Aufgrund vieler Einflussfaktoren ist die Zündung mittels aktiver Vorkammer ein komplexer und anspruchsvoller Prozess. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Unter-suchung des Brennverfahrens in Bezug auf grundlegende Auslegungsparameter und deren Auswirkung auf das Potenzial und die Betriebsgrenzen der Vorkammerzün-dung mit Biogas. Um dies zu untersuchen, wurden umfangreiche Experimente an einem optisch zu-gänglichen Motor mit einem Biogas mit 60 Prozent Methananteil als Brenngas und verschiedenen Vorkammervarianten durchgeführt. Die simultane Aufzeichnung von Schlieren und OH*-Eigenleuchten während der Verbrennung ermöglicht wertvolle Erkenntnisse zur Entflammung des Hauptbrennraums durch die Vorkammerfackeln. Die Experimente wurden in die Untersuchung der Vorkammerzündung mit und ohne Entzündung des Hauptbrennraums unterteilt. Vergleichend wurde auch der Einfluss der Biogasqualität unter Verwendung von reinem Methan als Basisfall untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Verbrennungsstabilität über breite Bereiche und einen positiven Einfluss des Differenzdruckes auf die Brenndauer. Es wurden zwei parameterabhängige Betriebsgrenzen für die Vorkammerzündung identifiziert. Bei Erreichen der Magergrenze des Hauptbrennraumes nimmt die Verbrennungseffi-zienz aufgrund der verlangsamten Flammenausbreitung sukzessive ab. Die Verlösch-grenze ist durch das Verlöschen der Fackelstrahlen bei Überschreiten eines kriti-schen Differenzdruckes definiert. Durch die gezielte Auswahl der Vorkammer- und Betriebsparameter kann ein Optimum zwischen beiden Grenzen erreicht werden. Ein zentraler Parameter hierfür ist das Vorkammerluftverhältnis, das im fetten Bereich die Verlöschgrenze zu höheren kritischen Drücken verschiebt und in Kombination mit dem Bohrungsquerschnitt die resultierenden Differenzdrücke bestimmt.

U2 - 10.15488/18038

DO - 10.15488/18038

M3 - Dissertation

T3 - Berichte aus dem ITV : wissenschaftliche Schriftenreihe des Instituts für Technische Verbrennung der Leibniz-Universität Hannover

CY - Hannover

ER -