Kohlenstaubmotor

 

Ein Kohlenstaubmotor ist der Wunschtraum vieler Motorenbauer, aber auch Politiker, verspricht er doch Unabhängigkeit vom importierten Erdöl aus politisch instabilen Regionen, indem er die reichlich vorhandene und billige heimische Kohle nutzt.

Anfang der 1990er Jahre glaubten US-Forscher die technischen Probleme des Kohlenstaubmotors soweit gelöst zu haben, daß sie mit mehreren Großprojekten die Markteinführung in den USA vorbereiten wollten.

Nachfolgend soll der letzterreichte Stand dieser US-Entwicklungen kurz dargestellt werden.

 

Kohlenstaubmotor-Entwicklungen in den USA 1982 - 1993

Abb.1: An der Kohlenstaubmotor-Entwicklung beteiligte US-Motorenbauer und US-Forschungseinrichtungen

 

Nach den Ölkrisen 1973 und 1979 wurden vom US-Energie-Ministerium (US DOE - US Department of Energy) Forschungen und Entwicklungen  zum Kohlenstaubmotor mit einem Aufwand von mehreren hundert Millionen US-$ gefördert. Diese Anstrengungen erbrachten mehr Problemlösungen als in den 90 Jahren zuvor.

 

General Electric (GE) 1991 - 1993: Lokomotivantrieb mit Kohlenstaubmotor - Motor mit direkter Einspritzung von Kohle-Wasser Emulsion (CWS: Coal Water Slurry)

Abb.2: Stage I, V12 Motor, 1864 KW, n=1.050 min-1

Im November bis Dezember 1991 wurden als Stage I Testläufe über insgesamt 10h auf einer 4 Miles langen Teststrecke durchgeführt. Der V12 Motor hatte eine konventionelle mechanische Einspritzanlage. Die Verbrennungs-Effizienz (coal burn–out) lag bei 95%.

Abb.3: Stage II, V12 Motor, 2250 KW, n=1.050 min-1

Als Stage II wurde ein V12 Motor mit elektronisch geregelter Akkumulator-Einspritzanlage in ca. 200h auf dem Prüfstand gefahren und optimiert. Die Verbrennungs-Effizienz (coal burn-out) lag bei 99%. Der für 1993 vorgesehene Einbau in eine Lokomotive und der Test vor regulären Zügen wurden nicht mehr realisiert.

Abb.4: Stage III, Konzept für kommerzielle Lokomotive

Das Konzept für eine kommerzielle Lokomotive mit 3.000 KW in Stage III wurde nicht mehr realisiert.

Abb.5: Stage II Motor

Der Motor für die Stage II Lokomotive war ein modifizierter V12 GE 7FDL 12 mit Vh=11l, D=229mm, s=267mm, P=2.250 KW und nmax=1.050 min-1.

Abb.6: Stage II Einspritzanlage

             

Abb.7: Stage II Einspritzdüse                                               Abb.8: Stage II Düsenkörper

                                          

Abb.9: Anordnung CWS-Einpritzdüse und Diesel-Pilot Injektor im Brennraum

 

Adiabatics, Inc.1986 – 1989: Kohlenstaubmotor mit Ansaugung eines extern gebildeten Aerosols aus Luft und trockenem Kohlenstaub

Die andauernden Verschleiß-Probleme der Kohlenstaubmotoren veranlaßten Adiabatics, Inc. einen völlig anderen Ansatz für den Kohlenstaubmotor zu wählen. Statt der Direkteinspritzung von CWS in den Brennraum wie bei GE, Detroiet Diesel und A.D. Little/Cooper Bessemer wurde bei diesem Konzept das Gemisch extern als Aerosol aus Luft und trockenem Kohlenstaub gebildet.

Die angesaugte, weitgehend homogene, Ladung wurde in einer speziellen Zündkammer kompressionsgezündet.

Die Leistungsregelung erfolgte über das Luftverhältnis - wie bei konventionellen Dieselmotoren, die Steuerung des Zündzeitpunktes erfolgte durch gezielte Temperierung (Kühlung mit Spritzwasser), und durch Abgasrückführung.

Abb.10: Versuchmotor Caterpillar 1Y73

Abb.11: Regelung Zündzeitpunkt

Abb.12: Kraftstoffförderung und Gemischbildungsanlage

 

Abb.13: [Bad1992]

Abb.14: [Bad1992]

 

"1993: Investigations Terminated" - Ende der US-Amerikanischen Kohlenstaubmotor-Entwicklungen

Abb.15: Entwicklung der Ölpreise (gemittelte Jahreswerte)

Abb.16: Entwicklung der US-Haushalt Überschüsse/Defizite

Die Rentabilität der US-Kohlenstaubmotoren wurde 1993 bei einem Ölpreis von 42$/Barrel prognostiziert.

Die Ölpreise 1987 bis 2000 lagen unter 20$/Barrel.

Mit Bill Clinton's Wahl zum US-Präsidenten  wurde mit dem Omnibus Budget Reconciliation Act of 1993 alle unwirtschaftlichen Investitionen und Förderungen gestoppt. Das war das Ende der Kohlenstaubmotor-Entwicklung in den USA.

Die breite Öffentlichkeit in den USA, als auch in Europa nahm den erreichten Entwicklungsstand des Kohlenstaubmotors und seine Möglichkeiten überhaupt nicht zur Kenntnis.

 

A.D. Little 1994 – 1998 (2005) Clean Coal Demonstration Projekt

Abb.17: Anlieferung V18 Versuchsmotor in

Abb.18: Eingebauter Motor in der Kraftwerkshalle "Ready to Run"

Abb.19: V2-Prüfstandsmotor auf dem Prüfgelände von Fairbanks Morse in Beloit WI

 

 

 

 

 

 

 

Erfahrungen und Lehren

The use of coal-water slurry in medium-speed engines has been demonstrated to be technically feasible. This conclusion is based upon the use of well formulated coal-water slurries (CWS) in the range of 45-50 weight percent coal loading, using bituminous coals ground to 5-12 micron mean size particles, with a top size limit of 30-85 microns, and sulfur and ash contents in the range of 1-2 percent each by mass. The ranges in coal specification reflect the GE and Arthur D. Little/Cooper engine test experience. Higher ash contents may be usable in certain larger (and slower RPM) engines, but the technology for cleaning has advanced to the point where 1-2 percent ash clean coal is reasonable to produce. Approximately 1500 hours of engine operation with CWS have been achieved in the aggregate in the GE and the Arthur D. Little/Cooper programs alone.

The current state of the technology is such that special engine and component design modifications for coal water fuels (CWS) can be very weIl defined for engines that operate in the speed range below 1000 rpm. The design details of modifications for CWS needed for higher speed engines are not as weIl defined, because the operating experience in these engines is less extensive.

The CWS fuel specification is somewhat dependent on the engine speed, in that the operating experience indicates that the slower 400 rpm engines are somewhat less sensitive to coal fuel characteristics than the 1000 rpm engine. The following specification therefore represents an attempt to satisfy the requirements of the 400-1000 rpm engines, realizing that the specified coal fuel will be marginally better than required for operation of the slower engines.

Combustion Chamber

The results of the METC Program indicate that conventional open chamber, direct injection, low swirl combustion chambers are acceptable for operation on CWS. Combustion efficiencies of 99 percent were routinely demonstrated in these designs if the intake air temperature and pressure are made as high as practical within the mechanical limitations of the engine components. The bowl shape can be either a shallow "Mexican Hat" design, as used in the GE and SWRI/Detroit Diesel projects, or a shallow bowl as used in the Cooper engine.

Air Temperature

It is clear that turbocharging is required to achieve acceptable breathing characteristics, especially with the higher manifold air temperatures required for operation on CWS. The manifold air temperature should be at least 135°C and the pressure should be in the range of 300kPa.

Pilot Fuel

While autoignition was demonstrated as feasible under special circumstances in the GE, the Cooper, Adiabatics, and the Detroit Diesel engines, positive ignition timing control is essential for reliable and efficient operation of a CWS engine. Pilot injection of a small quantity of diesel fuel appears to be the best method of ignition control. Pilot injection offers the opportunity for cold starting and operation at part load conditions, especially idle, where the demonstrated experience on CWS indicates that the engine temperatures drop below the levels required for reliable operation on CWS.

Rings and Liners

The rings and liners should be tungsten carbide coated and the lubricant should contain high concentrations of dispersant additive to prevent excessive wear of these components. It appears that filtration of the lube oil using the best available filter technology (pleated paper filter with 5 micron size) is sufficient to control wear rates in the rest of the engine.

Fuel System

Details of the CWS fuel system design are described as a major portion oft his summary. The following are the salient points that are common to all CWS fuel system designs and should be considered as the starting point for future work in this area:

(a) Piping - smooth pipe, no dead volumes, no rapid changes in flow area.

(b) Tank - Continuously recirculating, horizontal-cylindrical tank equipped with a floating suction, and discharge through a manifold with holes designed to produce flow with circulation.

(c) Injection Pump - Conventional diesel injection pump sized to inject the required amount of slurry to achieve full load and coupled to the engine, supplying diesel fuel pressure pulses to a shuttle piston assembly.

(d) Shuttle Piston Assembly - Conventional injection pump barrel and plunger assembly design parameters of surface finish and clearances, titanium nitride coated, sized to displace 150 percent of the required full load slurry flow, and with an LID of approximately 1.

(e) Nozzle Holes - Sapphire or diamond compact inserts.

(f) Needle Valve - Tungsten carbide plasma coated

(g) Needle Valve Seat - Tungsten carbide seat insert