Motivation

Gasmotoren spielen aufgrund der hohen Verfügbarkeit von gasförmigen Kraftstoffen, der ausgezeichneten Umweltverträglichkeit und nicht zuletzt aufgrund der großen Entwicklungsfortschritte der letzten Jahre eine zunehmende Rolle für Antriebskonzepte und für die Energieerzeugung. Das Large Engines Competence Center (LEC) am Institut für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Universität Graz hat sich in diesem Zusammenhang auf die Entwicklung und Optimierung neuer Verbrennungskonzepte für Großgasmotoren spezialisiert.

Erdgasbetriebene Großmotoren zeichnen sich durch eine sehr geringe Emission von Luftschadstoffen aus und können einen maßgeblichen Beitrag zur Senkung der CO2‐Emissionen leisten. Der CO2‐Vorteil ergibt sich zum einen aus dem höheren massenbezogenen Energieinhalt sowie dem geringeren Kohlenstoffgehalt von Erdgas im Vergleich zu konventionellen Flüssigkraftstoffen und zum anderen vor allem auch aus dem hohen Wirkungsgrad des für diese Motoren eingesetzten Magerkonzepts. Gegenüber Diesel besteht ein CO2‐Vorteil von über 30%. Jede weitere Verbesserung des Motorwirkungsgrads trägt zu einer erheblichen Reduktion der CO2‐Emission bei. So ergibt eine Steigerung des Wirkungsgrads um 1 Prozentpunkt bei einem 10 MW Motor einen um ca. 750 Tonnen pro Jahr verringerten CO2‐Ausstoß.

Zunehmend mehr an Bedeutung gewinnt die Anwendung der Großmotoren als Biogas‐ und Sondergasmotoren. Insbesondere Sondergasmotoren ermöglichen eine umweltgerechte und energetisch sinnvolle Nutzung vieler ansonsten nicht verwertbarer Gase, wie etwa Deponiegase, Abfallgase aus der Industrie und Erdölbegleitgase. Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften bieten sich Großgasmotoren für unterschiedlichste Anwendungen an, wobei die Anzahl der möglichen Anwendungsgebiete stetig steigt. Die wichtigsten Einsatzgebiete sind dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme in Blockheizkraftwerken (der Gesamtwirkungsgrad einer BHKW‐Anlage liegt bei über 90%), Gen‐sets und mechanische Antriebe. Mit den zukünftig strenger werdenden Emissionsvorschriften im Marinebereich ist auch die Verwendung von Gasmotoren als Schiffsantrieb in das Interesse der Hersteller und Reedereien gerückt.

GE zählt mit Jenbacher Gasmotoren zu den renommiertesten Herstellern von Gasmotoren. Die im Rahmen der langjährigen Kooperation der Technischen Universität Graz mit Jenbacher Gasmotoren von GE erzielten Fortschritte in der Motorentechnologie stellen einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg der Jenbacher Gasmotoren dar. Im Rahmen der langjährigen Kooperation wurde im Jahr 1994 der erste Einzylinder‐Forschungsmotor für den Gasmotorbetrieb am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik installiert. Mittlerweile werden im Forschungsbereich LEC drei Einzylinder‐Forschungsmotoren und 15 Mitarbeiter in zahlreichen Kooperationsprojekten mit Jenbacher Gasmotoren eingesetzt. Aus der Zusammenarbeit sind zahlreiche Dissertationen, Diplomarbeiten und Veröffentlichungen entstanden. Insgesamt wird die Kooperation von beiden Beteiligten als „Best practice“‐Beispiel einer Kooperation Wissenschaft und Industrie eingeschätzt.

Bisher hat sich GE mit Jenbacher Gasmotoren im Leistungsbereich bis zu 4,4 MW sehr erfolgreich etabliert. In den letzten Jahren konnte jedoch weltweit ein eindeutiger Trend zu Gasmotoren mit einer Leistung von über 5 MW festgestellt werden. Das Ergebnis einer Marktstudie zeigt ein Umsatzpotenzial von etwa einer Milliarde US‐Dollar pro Jahr für dieses Motorensegment.
Mit der Entwicklung eines neuen Motors in der 10 MW Klasse stellt sich Jenbacher Gasmotoren von GE dieser Herausforderung und zielt mit einem Hochtechnologiekonzept mit herausragenden Motorfunktionswerten insbesondere in Bezug auf Wirkungsgrad auf einen optimalen Kundennutzen („total cost of ownership“) ab. Den Schlüssel zur Erreichung dieser Zielsetzung stellt ein optimales Verbrennungskonzept dar, das im Rahmen des vorliegenden Projekts zu entwickeln war.

Zielsetzung

Der neue 9,5 MW Jenbacher Gasmotor von GE soll hinsichtlich Wirkungsgrad eine weltweite Spitzenstellung einnehmen. Die für diesen Motor gewählte Drehzahl von 1000 U/min ergibt in Kombination mit einem hohen Mitteldruck‐ und Wirkungsgradniveau höchste Anforderungen an das Verbrennungskonzept.

Konkretes Ziel des Projektes war es, ein Magerverbrennungskonzept zu entwickeln, das die Erreichung eines effektiven Wirkungsgrads von nahezu 50% bei Einhaltung des NOx‐Emissionsniveau nach TA‐Luft (500 mg/mN 3) erlaubt. Zudem muss das Konzept in der Lage sein, auch zukünftige Emissionsvorschriften einhalten zu können.

Eingesetzte Methodik

Für die Durchführung des Projektes wurde die zur Entwicklung und Optimierung von Verbrennungskonzepten für Großmotoren am LEC abgeleitete Methodik LDM (LEC Development Methodology) eingesetzt. LDM basiert auf einer intensiven Interaktion von Simulation (SIM) und experimentellen Untersuchungen an Einzylinder‐Forschungsmotoren (SCE – Single Cylinder Research Engine) sowie Vollmotoren (MCE ‐ Multi Cylinder Engine). Im Rahmen der Entwicklungsmethodik werden sowohl die dreidimensionale CFD‐Simulation als auch die null‐ und eindimensionale Motorprozessrechnung eingesetzt. Während die 3D‐CFD‐Simulation vor allem für die Detailoptimierung der relevanten Vorgänge (wie etwa Gemischbildung und Verbrennung in Vorkammer und Hauptbrennraum, Bestimmung des Klopforts, etc.) eingesetzt wird, werden null‐ und eindimensionale Motorprozesssimulationen für die Voroptimierung maßgeblicher Motorparameter (Verdichtungsverhältnis, Steuerzeiten, etc.) angewandt.

Die Vorauslegung des Verbrennungskonzeptes des J920‐Motors erfolgte zum größten Teil auf Basis der Simulation, wobei intensiv auf die am LEC entwickelten Modelle zur Simulation der Verbrennung, des Klopfens und der Schadstoffbildung zurückgegriffen wurde.

Dieser virtuelle Ansatz wurde vor allem wegen der sehr kurzen Entwicklungszeit, die für das Gesamtprojekt zur Verfügung stand, gewählt. Die weitere thermodynamische Optimierung wurde in weiterer Folge auf dem speziell für diese Aufgabe am LEC aufgebauten Einzylinder-Forschungsmotor durchgeführt.

Nach umfangreichen Tests des entwickelten Verbrennungskonzepts am Einzylinder‐Forschungsmotor, in denen vor allem die Betriebsgrenzen und die Motorfunktionswerte bestimmt wurden, wurde das Konzept auf den Prototyp‐Vollmotor bei Jenbacher Gasmotoren übertragen.

Ergebnis

• Es wurde ein hocheffizientes Verbrennungskonzept für den neuen 9,5 MW Jenbacher Gasmotor von GE entwickelt. Insbesondere der Wirkungsgrad von 48,7% elektrisch stellt einen weltweiten Spitzenwert dar.
• Die Basisauslegung des Brennverfahrens erfolgte zum größten Teil auf Basis der Simulation. Sowohl die Messungen am Einzylinder‐Forschungsmotor als auch am Prototyp des Vollmotors bestätigten die hervorragende Qualität der Vorausoptimierung.
• Durch den virtuellen Ansatz konnte eine sehr kurze Entwicklungszeit für das Motorkonzept eingehalten und eine wesentliche Reduktion der Entwicklungskosten erzielt werden.
• Das Konzept wurde bereits erfolgreich durch ein umfassendes Versuchsprogramm am Vollmotor bei Jenbacher Gasmotoren validiert und befindet sich in der Serienüberleitung.
• Insgesamt stellt der J920 eine wesentliche Ergänzung des Produktportfolios von Jenbacher Gasmotoren dar. Er trägt zur Sicherung des Industriestandorts Österreich bei und festigt gleichzeitig die Kooperation zwischen Industrie und universitärer Forschung.