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Effiziente DeNOx-Strategie für mager betriebene Verbrennungsmotoren (DeNOx), Teilvorhaben: Validierung eines hoch effizienten Abgasnachbehandlungssystems an einem Off-Road Dieselmotor

COOREFLEX-Turbo, 2.1.1 Thermoakustisches Stabilitätsverhalten einer mager betriebenen Brennkammer/Einfluss realistischer Brennkammerrandbedingungen

Intensiver Forschung ist es gelungen, die Gefahr auftretender Pulsationen durch eine entsprechende Auslegung der Brennkammer einzuschränken und gezielt auf auftretende Probleme im Betrieb zu reagieren. Dennoch ist das Bereitstellen weiterer Stabilisierungsmaßnahmen unabdingbar. Und um schnell den Anforderungen des schwankenden Netzes zu folgen, sind zudem Gasturbinen in allen Leistungsklassen erforderlich, die einen astflexiblen Betrieb mit weiteren Brennstoffen problemlos erlauben. Die Problemstellungen erfordern zudem das Weiterentwickeln der Vorhersagemodelle der Schadstoffbildung, der Instabilitäten und deren Messtechnik. Die Arbeiten im Bereich Verbrennung verteilen sich auf die drei Gruppen 'Thermoakustik', 'Brennstoffflexibilität' sowie 'Analyse und Diagnose'.

Effiziente DeNOx-Strategie für mager betriebene Verbrennungsmotoren (DeNOx), Teilvorhaben: Voll formulierte DeNOx-Katalysatoren für Selbstzünder

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, einen neuen Hybrid-Katalysator zu entwickeln, der effizient die Stickoxide aus dem Abgas entfernt, bevor sie in die Umwelt gelangen. Das Teilvorhaben von Umicore befasst sich mit der Entwicklung einer Beschichtung zum Aufbau von Hybridkatalysatoren (DeNOx-Prinzip) mit verifizierter Funktion und einem zugehörigen industrialisierbaren Beschichtungsverfahren.

Effiziente DeNOx-Strategie für mager betriebene Verbrennungsmotoren (DeNOx), Teilvorhaben: Abgasbehandlung an Magermotoren für Personenkraftwagen und Kleintransporter

Teilvorhaben 2.2.1B Robustes Hochtemperaturverbrennungssystem mit erweitertem Betriebsbereich (HTV-EB)^Betriebspunktabhängige Kühlluftführung für Gasturbinen^Erweiterte Werkstoff- und Bewertungskonzepte für den Betrieb von 700 Grad Celsius-Dampfturbinen: 'Erweiterte Werkstoff- und Lebensdauerkonzepte auf Basis komplexer Versuche'^1.1.8 Detaillierte experimentelle und numerische Untersuchungen der Strömung in einer Radialverdichterstufe mit Rückführung^Sensitivität der Ausfallwahrscheinlichkeit für thermisch und mechanisch belastete Gasturbinenkomponenten mittels adjungierter Verfahren^Projekt 1.1.10 Effiziente, robuste Optimierungsstrategien in hoch dimensionalen Räumen (Antwortflächenverfahren)^1.1.9, '3D-Messung des Strömungsvektors in Verdichtern und Turbinen mittels Astigmatismus-PIV'^COORETEC-Turbo 2020^2.1.7: Methodenentwicklung und Aufbau eines Prüfstands für schadstoffarme Brennerkonzepte für mittelgroße Industriegasturbinen^Wärmeübergangsintensivierung in konvektiven Kühlsystemen mit optimierten Oberflächenstrukturen^3.2.11.: Ausführung und Validierung eines Prüfstandes zur Untersuchung von Seitenwandeinflüssen filmgekühlter Schaufelreihen einer Industriegasturbine^Teilvorhaben 4.5.9: Erweiterte Werkstoff-und Lebensdauerkonzepte auf Basis komplexer Versuche^Teilvorhaben 2.2.1 'Robustes Hochtemperaturverbrennungssystem mit erweitertem Betriebsbereich'^4.1.7 Neuartige Seitenwandprofile zur Wirkungsgradverbesserung^3.2.5 Aerothermische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine^Vorhaben-Gruppe 4.1.5, Optimierung von linearen Simulationstechniken für die aeroelastische Auslegung gekoppelter Turbinenschaufeln, Teilverbundprojekt Gasturbine, Verbrennung; Vorhabensgruppe: Hochtemperaturbrennkammertechnologie - Vorhaben 2.3.3 Thermoakustisches Stabilitätsverhalten einer mager betriebenen Brennkammer

Direct4Gas - Direkteinblasung für monovalente Fahrzeuge mit effizienten Erdgasmotoren, Teilvorhaben: Daimler AG

Erdgas ist einer der bedeutendsten Alternativ-Kraftstoffe. Für eine zukunftsfähige Erdgasmobilität ist die Erschließung der Direkteinblasung als neuem Technologiepfad erforderlich. Erst damit können eine weitere Reduzierung der Emissionen von Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) sowie Partikeln ermöglicht und Emissionsziele kostengünstig erreicht werden. Die bisher praktizierte Erweiterung von Motoren mit Benzindirekteinspritzung um eine Gas-Saugrohreinblasung ist für einen optimalen Gasbetrieb nicht ausreichend. Stattdessen ist die Entwicklung eines geeigneten Brennverfahrens und der notwendigen Komponenten erforderlich. Ein derartiges Brennverfahren erhöht nicht nur die Effizienz des Motors, sondern verbessert auch seine Drehmomentcharakterisitik. Dies kommt der Fahrbarkeit und damit der Akzeptanz beim Endkunden zugute. In Direct4Gas werden hierzu homogene Brennverfahren sowie ein direkt in den Brennraum einblasender Gasversuchsinjektor entwickelt und entsprechende Versuchsmuster in Gasmotorprototypen auf dem Prüfstand und im Fahrzeug erprobt. Für die bei Erdgas erhöhten Abgasnachbehandlungsanforderungen werden neuartige Katalysator-Versuchsmuster eingesetzt. Über das Konsortium ist eine ganzheitliche Bewertung der lndustrialisierbarkeit gegeben. Über einen weiteren Forschungspfad wird zusätzlich das Langfristpotential von Gasmotoren bewertet. Hierzu werden magere Brennverfahren bis hin zur Schichtladung untersucht. Die teilweise deutlich höheren Anforderungen an Gemischbildung, Injektor inkl. Ansteuerung, Zündung und Abgasnachbehandlung werden erarbeitet und Lösungsansätze bewertet. Das Projekt gliedert sich in die Arbeitspakete 'Systemanalyse und -anforderungen', 'Konzeptionierung und Motoraufbau', 'Gemischbildung, Brennverfahren und Abgasnachbehandlung', 'Komponenten und Funktionsmuster', 'Aufbau im Fahrzeug und Funktionstest', 'Simulation und Modellbildung' sowie 'Evaluierung'. Konsortialpartner sind die Robert Bosch GmbH als Konsortialführerin, die Daimler AG und das Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS); die Umicore AG & Co. KG ist assoziierter Partner.

Direct4Gas - Direkteinblasung für monovalente Fahrzeuge mit effizienten Erdgasmotoren, Teilvorhaben: Robert Bosch GmbH

Erdgas ist einer der bedeutendsten Alternativ-Kraftstoffe. Für eine zukunftsfähige Erdgasmobilität ist die Erschließung der Direkteinblasung als neuem Technologiepfad erforderlich. Erst damit können eine weitere Reduzierung der Emissionen von Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) sowie Partikeln ermöglicht und Emissionsziele kostengünstig erreicht werden. Die bisher praktizierte Erweiterung von Motoren mit Benzindirekteinspritzung um eine Gas-Saugrohreinblasung ist für einen optimalen Gasbetrieb nicht ausreichend. Stattdessen ist die Entwicklung eines geeigneten Brennverfahrens und der notwendigen Komponenten erforderlich. Ein derartiges Brennverfahren erhöht nicht nur die Effizienz des Motors, sondern verbessert auch seine Drehmomentcharakterisitik. Dies kommt der Fahrbarkeit und damit der Akzeptanz beim Endkunden zugute. In Direct4Gas werden hierzu homogene Brennverfahren sowie ein direkt in den Brennraum einblasender Gasversuchsinjektor entwickelt und entsprechende Versuchsmuster in Gasmotorprototypen auf dem Prüfstand und im Fahrzeug erprobt. Für die bei Erdgas erhöhten Abgasnachbehandlungsanforderungen werden neuartige Katalysator-Versuchsmuster eingesetzt. Über das Konsortium ist eine ganzheitliche Bewertung der lndustrialisierbarkeit gegeben. Über einen weiteren Forschungspfad wird zusätzlich das Langfristpotential von Gasmotoren bewertet. Hierzu werden magere Brennverfahren bis hin zur Schichtladung untersucht. Die teilweise deutlich höheren Anforderungen an Gemischbildung, Injektor inkl. Ansteuerung, Zündung und Abgasnachbehandlung werden erarbeitet und Lösungsansätze bewertet. Das Projekt gliedert sich in die Arbeitspakete 'Systemanalyse und -anforderungen', 'Konzeptionierung und Motoraufbau', 'Gemischbildung, Brennverfahren und Abgasnachbehandlung', 'Komponenten und Funktionsmuster', 'Aufbau im Fahrzeug und Funktionstest', 'Simulation und Modellbildung' sowie 'Evaluierung'. Konsortialpartner sind die Robert Bosch GmbH als Konsortialführerin, die Daimler AG und das Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS); die Umicore AG & Co. KG ist assoziierter Partner.

Direct4Gas - Direkteinblasung für monovalente Fahrzeuge mit effizienten Erdgasmotoren, Teilvorhaben: FKFS

Erdgas stellt heute den bedeutendsten Alternativ-Kraftstoff dar. Für eine zukunftsfähige Erdgasmobilität ist die Erschließung des neuen Technologiepfades einer Direkteinblasung erforderlich. Erst damit wird die Reduzierung von CO2, PN, PM und NOx kostengünstig realisierbar. Moderne Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung sind nicht ausreichend auf den Gasbetrieb ausgelegt. Hierzu werden homogene Brennverfahren mit den hierfür erforderlichen Versuchsmustern bestehend aus Gasmotorprototypen (Prüfstand und Fahrzeug) inkl. Steuerung sowie ein neuartiger direkt in den Brennraum einblasender Gasversuchsinjektor aufgebaut. Auch die bei Erdgas erhöhten Abgasnachbehandlungsanforderungen werden über neuartige Versuchsmuster dargestellt. Über das Konsortium ist eine ganzheitliche Bewertung der Industrialisierbarkeit gegeben. Über einen weiteren Forschungspfad wird zusätzlich das Langfristpotential von Gasmotoren bewertet. Hierzu werden magere Brennverfahren bis hin zur Schichtladung untersucht. Die teilweise deutlich höheren Anforderungen an Gemischbildung, Injektor inkl. Ansteuerung, Zündung und Abgasnachbehandlung werden erarbeitet und Lösungsansätze bewertet. Um den Zielkonflikt zwischen effizienter, emissionsarmer Verbrennung und zuverlässiger, langlebiger und einfacher Komponente zu lösen, findet eine simultane Untersuchung von Gemischbildung, Brennverfahren, Abgasnachbehandlung und Injektor statt. Dies ermöglicht eine Optimierung des Gesamtsystems durch Abwägung zwischen innermotorischem Wirkungsgrad einerseits, Aufwand für Abgasnachbehandlung und Reduzierung der Klopfneigung bei schwankender Gasqualität andererseits. Die Integration der gefundenen Lösungen im Fahrzeug stellen das Potential des Verfahrens dar. Eine enge Verzahnung von Simulation, Modellbildung und Versuch ermöglicht das Verständnis der physikalischen Zusammenhänge. Dies unterstützt die effiziente Auslegung von Komponenten und Betriebsverfahren bis hin zu Funktionen der Motorsteuerung.

Generierung pulsierender Prallstrahlen zur Erhöhung der Kühleffektivität im Turbinengehäuse^Teilvorhaben 1.2.3 Aeroelastische Vorgänge im Blattspitzenbereich hochbelasteter Verdichter^4.1.4 Dämpfungsbestimmung für gekoppelte Laufschaufeln^4.2.4 Teillastverhalten von Regelventilen in Einströmgehäusen von Kompressorantriebsturbinen^Teilprojekt 3.2.4; Wärmeübergang und Filmkühleffektivität auf dreidimensional konturierter Seitenwand^1.1.6b Effiziente Laufschaufelgestaltung mit Gehäusestrukturierung^3.1.6 Flächenhafte Messung der internen Wärmeübergänge für Kühlsysteme von Turbinenlaufschaufeln unter maschinenähnlichen Betriebsbedingungen^COORETEC-Turbo 2020^Teilverbundprojekt: Verbrennung; Teilvorhaben 2.3.1 Hochtemperaturverbrennungssystem für flexiblen Operationsbereich^Teilvorhaben 3.2.1 B; 'Aerodynamische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine; CFD gestützte Simulation des Gesamtsystems Gasturbine'^Teilvorhaben 1.3.3; Probabilistische Untersuchung und Detailoptimierung von Rotoren für Turbomaschinen^Teilvorhaben 3.2.1.A: Aerodynamische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine^Teilvorhaben: Modellierung des thermomechanischen Ermüdungsverhaltens einer thermisch hochbelasteten Gasturbinenschaufel^1.3.5 Probabilistische Untersuchung und Detailoptimierung von Verdichterrotoren für Turbomaschinen (AG TURBO 2020)^1.3.1 Anlagentechnik und Automatisierung von CCS-Strängen^2.Verbrennung AP: 2.3.1b Hochtemperaturverbrennungssystem für flexiblen Operationsbereich - HTV flex Op, 2.3.2B Modellierung thermoakustischer Rückkoppelungen für Mage Verbrennungskonzepte

Bei dem Betrieb von mager-vorgemischten Brennkammern tritt häufig das Phänomen der thermoakustischen Instabilität auf. Hierbei kommt es zu einer hohen mechanischen Belastung des Verbrennungssystems, daher ist eine solche Instabilität zu vermeiden. Das geplante Vorhaben leistet einen Beitrag, thermoakustische Instabilitäten bereits im Auslegungsprozess zu erkennen und zu vermeiden, indem detaillierte, innovative Simulationstechniken entwickelt werden. Diese ermöglichen es, bereits zu Beginn des Entwicklungsprozesses verschiedene Varianten und Konzepte zu untersuchen und hinsichtlich der gewünschten thermoakustischen Eigenschaften zu bewerten. Als Entwicklungsumgebung dient dabei der CFD-Code PRECISE-UNS der Firma Rolls Royce Deutschland. Das Ziel des Vorhabens lässt sich unterteilen in die folgenden Teilziele: 1.Verifikation der 2-Phasen-LES sowie der implementierten Flammenmodelle 2.Implementierung der Rückkopplung der CAA in die LES 3. Verifikation der Rückkopplung anhand von experimentellen Daten 4. Simulation einer Brennkammerkonfiguration für unterschiedliche Lastzustände.

2.1.3 Teilverbundprojekt Gasturbine, Verbrennung; Vorhaben 2.1.3 Erweiterung des Brennstoffspektrums für ein NOx-armes Verbrennungssystem^Teilvorhaben 1.2.3 Aeroelastische Vorgänge im Blattspitzenbereich hochbelasteter Verdichter^2.3.2: Thermoakustisches Stabilitätsverhalten von mager betriebenen Brennkammern^Optimierung und robuste Auslegung für gekoppelte Laufbeschaufelungen, Vorhaben 4.1.3'^Expansion - Teilvorhaben: 4.1.8 Innovative 3D Schaufelgeometrien^1.3.7 ;Verbesserung des Verständnisses der Strömung in Radseitenräumen von Radialverdichtern für CO2-Hochdruckanwendungen^4.1.12B: Akustische Schaufelschwingungsanregung im rotierenden System^COORETEC-Turbo 2020^Teilverbundprojekt Expansion, Vorhaben-Gruppe Ventile, Gehäuse, Ein- und Ausströmungen, Vorhaben 4.2.2 Verbesserung des Druckrückgewinnes in axialen Kraftwerksdiffusoren^Teilvorhaben 1.1.2 Aerodynamische und strukturmechanische Optimierung der Randbereiche subsonischer Verdichterbeschaufelungen unter Berücksichtigung der Schaufelinteraktion^Teilvorhaben 3.2.9; Hybride Modelle^Teilvorhaben 3.2.1 B; 'Aerodynamische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine; CFD gestützte Simulation des Gesamtsystems Gasturbine'^Teilvorhaben 1.3.3; Probabilistische Untersuchung und Detailoptimierung von Rotoren für Turbomaschinen^4.1.12 Akustische Schaufelschwingungsanregung im rotierenden System^4.2.9B Erweiterte Werkstoff- und Lebensdauerkonzepte auf Basis komplexer Versuche^Teilverbundprojekt Kühlung, Vorhaben-Gruppe Kühlmittelführung und Schaufelinnenkühlung - Teilvorhaben 3.2.3 Optimierung einer dreidimensionalen Seitenwandkonturierung unter Berücksichtigung von Filmkühlung und Leckageluft, Teilvorhaben 3.2.1.A: Aerodynamische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine

Das hier beschriebene Vorhaben befasst sich mit der Interaktion zweier Kernkomponenten einer Gasturbine, der Brennkammer und der Hochdruckturbine. Im Vordergrund der experimentellen Untersuchungen steht die aerodynamische Wechselwirkung zwischen der Brennkammer und der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine unter gleichzeitiger Berücksichtigung der nabenseitig austretenden Kühlluft stromauf der ersten Leitschaufelreihe (sog. RIDN-Kühlluft). Bei der Auslegung der ersten Turbinen-Leitradschaufel kann aufgrund der Austrittsströmung von modernen Mager-Brennkammern nicht mehr von einer rein axialen Zuströmgeschwindigkeit als aerodynamische Randbedingung ausgehen. Vielmehr kommt es im Naben- und Gehäusebereich bei einer Nichtbeachtung der Drallkomponente zu einer Fehlanströmung der Schaufel, was negative Konsequenzen für die zu erwartenden Schaufelverluste hat, die Druckverteilung im Vorderkantenbereich verändert, mit entsprechende Auswirkungen auf die zu legenden Kühlfilme der thermisch hoch belasteten Leitradschaufel, und über die sich verändernde Sekundärströmung den Vermischungsprozess mit der Kühlluftströmung beeinflussen wird. Diese Nichtbeachtung kann letztlich zu Wirkungsgradeinbußen in der Turbine führen und gleichzeitig erhebliche Konsequenzen für die thermische Belastbarkeit bzw. den Kühlluftbedarf der Leitschaufelreihe haben. In diesem Vorhaben soll nun die Auswirkung drallbehafteter Brennkammeraustrittsströmungen auf die Statoraerodynamik und die Vermischung zwischen der Ringkanalströmung und der im Nabenbereich austretenden RIDN-Kühlluft experimentell, mit Hilfe eines zweistufigen Modellturbinenprüfstandes untersucht werden. Der Modellturbinenprüfstand LSTR lässt aufgrund seiner Größe örtlich hoch aufgelöste Vermessungen des Geschwindigkeitsfeldes zwischen der Leitrad- und Laufradbeschaufelung zu. Gleichzeitig wird in Abhängigkeit der variierbaren Parameter der Turbinenwirkungsgrad bestimmt, so dass eine Aussage über den Grad der Verlustabhängigkeit von den einzelnen Parametern möglich sein wird. Auf Basis der Messergebnisse sollen neue Auslegungsrichtlinien formuliert werden, die für den Fall einer drallbehafteten Brennkammeraustrittsströmung eine verlustärmere Gestaltung des Leitradschaufelprofils und eine verlustärmere Gestaltung der Kühlluftzuführung ermöglichen sollen. Die Messdatenbasis kann außerdem zur Validierung der numerischen Auslegungswerkzeuge genutzt werden. Die Designwerkzeuge erlauben dann nicht nur die Auslegung einer effizienten Leitschaufel-/Sperrluftkonfiguration sondern auch die Auslegung einer insgesamt robusteren Konfiguration, die innerhalb gewisser Grenzen drallunempfindlich ist. Außerdem ist eine Überprüfung existierender Konfigurationen hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit bei modifizierten Brennerdüsen mit verändertem Drall möglich.

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