Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
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Forschungsprojekt MethMag

Entwicklung eines hocheffizienten Verbrennungsmotors für die Anwendung in leichten Nutzfahrzeugen durch Verwendung eines innovativen Mager-Brennverfahrens in Verbindung mit (synthetischem) Methan

In dem Verbundforschungsvorhaben MethMag geht es um die Entwicklung eines innovativen Brennverfahrenskonzeptes mit synthetischem Methan für den Einsatz in leichten Nutzfahrzeugen. Seit November letzten Jahres wird in Zusammenarbeit mit der Firma Ford sowie vier weiteren Forschungs- und Industriepartnern dieses Konzept auf der Basis eines Serienmotors entwickelt. Das Besondere an diesem Vorhaben ist der Motorbetrieb mit gasförmigem Kraftstoff, welcher klimaneutral aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden kann, sowie die innovative Brennverfahrensführung im Mager- bis Ultramagerbereich in Verbindung mit einer aktiven Vorkammerzündkerze. Dadurch soll ein hoher Wirkungsgrad bei niedrigen Rohemissionen erreicht werden.

Einzylinder-Versuchsträger mit Airbox und Deflagrationssperre
© Fraunhofer ICT
Einzylinder-Versuchsträger mit Airbox und Deflagrationssperre

Im Bereich Neue Antriebssysteme (NAS) werden dazu ein Einzylinder-Versuchsmotor sowie brennverfahrensrelevante Komponenten konstruiert, als Versuchsdemonstrator aufgebaut und auf dem eigenen Prüfstand getestet. Begleitend werden zahlreiche Simulationen durchgeführt, darunter 1D-Ladungswechsel- und Performancesimulationen zur Abschätzung der Betriebsbereiche und Optimierung motorischer Parametern sowie 3D-Strömungssimulation zur Auslegung des Kühlwassermantels. Anschließende CHT- und FEM-Simulationen stellen die thermische sowie mechanische Betriebsfestigkeit des Versuchsträges sicher. Das Forschungsprojekt hat eine Gesamtlaufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Motivation, Ziel und Ansatz des Forschungsprojekts

Problemstellung

Auf Methan basierende Verbrennungsmotoren weisen viele Vorteile hinsichtlich Treibhausgasund Schadstoffemissionen sowie Wirkungsgrad auf. Bisher ist es nicht umfassend gelungen, Methanmotoren am Markt zu etablieren, obwohl sie in Zukunft bspw. für leichte Nutzfahrzeuge als Alternative zu batterieelektrischen Antrieben sehr gut genutzt werden könnten. Wenn Methan aus biologischen Prozessen oder aus erneuerbaren Energien synthetisch hergestellt wird, wäre der Betrieb leichter Nutzfahrzeuge, welche besondere Anforderungen an Reichweite und Nutzlast haben, mit Methanmotoren klimaneutral möglich.

Projektziel

Ziel des Projektes ist es, ein innovatives Brennverfahren, welches auf Magerverbrennung mithilfe einer aktiven Vorkammerzündkerze und zusätzlicher Methan-Saugrohreinblasung beruht, zu entwickeln und prototypisch umzusetzen. Es sollen indizierte Motorwirkungsgrade von über 45 % bei sehr niedrigen Partikel- und Stickoxidemissionen erreicht werden. Die dynamische Umschaltung von magerem auf stöchiometrischen Betrieb erfolgt durch ein spezielles Ventiltrieb- und Einspritzsystem.

Durchführung

Gemeinsam mit den Projektpartnern werden die Anforderungen an das Brennverfahren und den Motor definiert. Anschließend werden umfangreiche virtuelle Entwicklungsmethoden, insbesondere auf Basis von 3D-CFD, eingesetzt, um einen Einzylinder-Forschungsmotor auszulegen. Die Experimente am Einzylindermotor werden später auf einen prinzipiell serienfähigen Mehrzylindermotor übertragen. Auf diese Weise kann das Motorkonzept praktisch und seriennah erprobt werden.