Hydrogen Engine

Previous studies examining gasoline and hydrogen engines have typically focused on factors pertaining to air to fuel ratios, their effects on an ICE performance, combustion by-products produced during the ignition cycle and its subsequent environmental effects. Alternatively, this study examines the ways in which a hydrogen engine cavitation can be enhanced by using a graphene coated layer on the cylinder combustion chamber walls. SEM micrographs for the coated surfaces' microstructure showed a uniform distribution of the graphene layer that was free from cavities and demonstrating little to no observable defects. The study's results also showed large improvements in the BTE and exhaust temperature with respect to BMEP performance. This further resulted in significantly low levels harmful gaseous emissions, with observable reductions in the emissions of CO, NOx, and hydrocarbon derived from gasoline and pure hydrogen fuel. These results are thus indicative of a significant improvement in the performance of this particular typology of engine, in contrast to other experimentation focus found in other studies.

Thesis by Heinz Stutzenberger 1983
180 pages
Engine » Audi-NSU KKM 871, operating with hydrogen + gasoline-hydrogen mix

> Content ...
> Vorwort  3
> Inhaltsverzeichnis  4
> 1. Einleitung  7
> 2. Verbrennungsablauf + Motorverhalten des Wankelmotors im Benzinbetrieb  8
> 3. Wasserstoff als Kraftstoff fuer Verbrennungsmotoren  12
  » 3.1 Verbrennungstechnische Eigenschaften von Wasserstoff  12
      » Gemischqualitaet  12
      » Zuendung  13
      » Verbrennung  14
      » Abgas  14
  » 3.2 Motorverhalten + Verbrennungsablauf bei wasserstoffgetriebenen Hubkolbenmotoren  16
      » Wirkungsgrad, erreichbarer Mitteldruck, Leistungsregelung  16
      » Abgasemission  17
      » Irregulaere Verbrennungserscheinungen  17
      » Thermische + mechanische Motorbelastung  19
      » Verbrennungsablauf  19
  » 3.3 Wasserstoffgetriebene Kreiskolbenmotoren  19
> 4. Aufgabenstellung + Untersuchungsverfahren  21
  » 4.1 Aufgabenstellung  21
  » 4.2 Untersuchungsablauf  22
  » 4.3 Beurteilungskriterien  22
      » Wirkungsgrad  22
      » Betriebsfaehigkeit  23
      » Leistungsdichte  23
      » Abmagerungsfaehigkeit  23
      » Abgasqualitaet  24
      » Thermische + mechanische Motorbelastung  24
      » Verbrennungsablauf  25
      » Zyklische Schwankungen  25
      » Reibmitteldruck  25
> 5. Optimierung der Zuendkerzenanordnung hinsichtlich des erreichbaren Mitteldrucks  26
> 6. Optimierung konstruktiver Parameter hinsichtlich des Wirkungsgrades  30
  » 6.1 Muldenform  30
  » 6.2 Verdichtungsverhaeltnis  34
> 7. Vergleich des Motorverhaltens von Wasserstoff- + Benzinversion  36
  » 7.1 Einfluss der betrieblichen Parameter  37
      » 7.1.1 Luftverhaeltnis  38
        » 7.1.1.1 Ungedrosselter Betrieb  39
            » Wirkungsgrad, Mitteldruck, Luftverhaeltnis  39
            » Irregulaere Verbrennungserscheinungen  49
            » Schadstoffemission  52
            » Thermische + mechanische Motorbelastung  56
            » Verbrennungsablauf  59
            » Zyklische Schwankungen des Brennraumdruckverlaufes  63
        » 7.1.1.2 Gedrosselter Betrieb  67
            » Wirkungsgrad  68
            » Irregulaere Verbrennungserscheinungen  73
            » Schadstoffemission  73
            » Thermische + mechanische Motorbelastung  75
            » Verbrennungsablauf  77
            » Zyklische Schwankungen des Brennraumdruckverlaufes  80
            » Zusammenfassung  81
      » 7.1.2 Zuendzeitpunkt  82
      » 7.1.3 Oeldosierung  86
  » 7.2 Lastverhalten  89
      » 7.2.1 Hubraumgleiche Motorversionen  90
      » 7.2.2 Leistungsgleiche Motorversionen  100
  » 7.3 Reibmitteldruck  104
  » 7.4 Bewertung des Motorverhaltens + Vergleich mit dem Hubkolbenmotor  107
> 8. Wasserstoff-Benzin-Mischbetrieb  109
  » 8.1 Motorverhalten + Verbrennungsablauf von Hubkolbenmotoren bei Mischbetrieb  110
  » 8.2 Motorverhalten + Verbrennungsablauf von Wankelmotoren bei Mischbetrieb  111
      » 8.2.1 Ungedrosselter Betrieb  112
        » 8.2.1.1 Einfluss des Luftverhaeltnisses  112
        » 8.2.1.2 Einfluss der Motorlast  115
      » 8.2.2 Gedrosselter Betrieb  118
      » 8.2.3 Bewertung  122
> 9. Zusammenfassung  123
> 10. Literaturverzeichnis  128
> 11. Anhang  140
  » 11.1 Formelzeichen + Indizes  140
  » 11.2 Versuchstraeger  143
      » 11.2.1 Motordaten + Konstruktionsmerkmale  143
      » 11.2.2 Massnahmen zur Umruestung auf Wasserstoffbetrieb  145
        » Wasserstoffdosierung + -zufuhr  146
        » Berstmembranen  147
        » Kurbelgehaeusespuelung  147
        » Oeldosierung  148
  » 11.3 Pruefstandsaufbau + Messverfahren  149
      » 11.3.1 Messeinrichtungen  150
        » Leistungsbestimmung  150
        » Luft- + Wasserstoffmassenstroeme  150
        » Benzinmassenstrom  151
        » Druckmessung  152
        » Temperaturen  153
        » Brennraumdruck  153
        » Zuendzeitpunkt  153
      » 11.3.2 Abgasanalyse  153
      » 11.3.3 Gasversorgungsanlage  155
  » 11.4 Brennraumdruckindizierung + Reibmitteldruckbestimmung beim Wankelmotor  158
      » 11.4.1 Gebereinbau  159
      » 11.4.2 Aufbau + Funktion der Datenerfassungsanlage  160
      » 11.4.3 Besonderheiten bei der Druckindizierung am Wankelmotor  163
        » Optimierung der Schnittstellen der Einzelsignale  163
        » Restluecke  164
        » Zuordnung von Druckverlauf + Exzenterstellung  166
        » Abweichungen zwischen den Kammern  167
        » Repraesentativer Druckverlauf  167
      » 11.4.4 Reibmitteldruckbestimmung  168
  » 11.5 Brennverlauf-Rechenprogramm + thermodynamische Auswertung  169
      » Startwerte  169
      » Rechengang  170
      » Waermeuebergang  173
      » Kolbenflaeche  174
      » Kompressionsflaeche  175
      » Laufbahnflaeche  175
      » Restgasanteil  175
      » Leckage  176
      » Auswertung  176
      » Repraesentative Druckverlaeufe  177
> Lebenslauf  179

german keywords: Wankelmotor / Kreiskolbenmotor
English Keywords: Wankel Engine / Wankel Rotary Engine / Rotary Piston Engine / Rotary Combustion Engine

The output power efficiency of the fuel cell system mainly depends on the required current, stack temperature, air excess ratio, hydrogen excess ratio, and inlet air humidity. Therefore, the operating conditions should be optimized to get maximum output power efficiency. In this paper, a dynamic model for the fuel cell stack was developed, which is comprised of a mass flow model, a gas diffusion layer model, a membrane hydration, and a stack voltage model. Experiments have been performed to calibrate the dynamic Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) stack model. To achieve the maximum output power and the minimum use of hydrogen in a certain power condition, optimization was carried out using Response Surface Methodology (RSM) based on the proposed PEMFC stack model. Using the developed method, optimal operating conditions can be effectively selected in order to obtain minimum hydrogen consumption.

Using hydrogen as an alternative fuel in spark-ignition engines has great potential for reducing exhaust emissions. Hydrogen engines have CO2- and HC-free combustion and lean operation, offering lower nitrogen oxide (NOx) emission. In this paper, a numerical study of a direct injection spark-ignition (DISI) hydrogen-fueled engine was conducted via 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) methods and results were compared with experimental data, showing good agreement. Injection timing, initial charge temperature, and initial charge pressure were selected as effective and controllable parameters of emissions and performance characteristics. Results showed that mixture homogeneity was more affected by injection timing, and advancing the injection timing led to improved engine performance with a slight increase in NOx emissions. Increasing the initial pressure and decreasing the initial temperature led to better engine performance and reduced NOx emissions in the DISI hydrogen-fueled engine.