Kollegiat erhält Patent für Ammoniakmotor

Am 13. Februar 2025 erhielt Kollegiat Herr Konstantin Schmidt (Teilprojekt H4: „H₂ und H₂-basierte Kraftstoffe in verbrennungsmotorischen Anwendungen“) gemeinsam mit Herrn Dr. Ronny Werner, Herrn Dr. Tilo Roß und Herrn Prof. Frank Atzler (Professur für Verbrennungsmotoren und Antriebstechnik der TU Dresden) die Patenturkunde für die Eintragung des gemeinsam entwickelten Patents mit dem Titel: „Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine“ (DE 10 2023 203 862 B4).

Ammoniak als Energieträger
Ammoniak als Energieträger ist neben Wasserstoff ein vielversprechender Kandidat für die Dekarbonisierung der Industrie und des Verkehrssektors. Die hohe volumetrische Energiedichte und einfachere Handhabbarkeit im Vergleich zu Wasserstoff machen Ammoniak besonders für mobile Anwendungen und den Transport über lange Strecken attraktiv.

Herausforderungen bei der Ammoniak-Verbrennung
Ein Einsatz des Ammoniaks als Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen, hier konkret Verbrennungsmotoren ist möglich, jedoch mit verschiedenen Herausforderungen verbunden. So begrenzen die geringe Flammgeschwindigkeit und der hohe Zündverzug die erreichbare Drehzahl des Verbrennungsmotors und somit auch die Leistungsfähigkeit.

Projektablauf
Im Jahr 2022 wurde im Rahmen der Diplomarbeit von Herrn Konstantin Schmidt ein Forschungsprojekt zur Anwendung von Ammoniak in kleinen, schnelllaufenden Motoren ins Leben gerufen. Erste Untersuchungen erfolgten mittels 3D-CFD-Simulationen, um das Zünd- und Brennverhalten unter motorähnlichen Bedingungen zu analysieren und Paramater für nachfolgende Experimente festzulegen. In der weiteren Projektentwicklung wurde ein bestehender Prüfstand am Lehrstuhl für Verbrennungsmotoren und Antriebssysteme der TU Dresden, eine Konstant-Volumen-Kammer, für den Ammoniakbetrieb ertüchtigt. Das neu entwickelte Brennverfahren konnte daraufhin erfolgreich für verschiedene Betriebspunkte demonstriert werden.

Das Brennverfahren: FSJI – Flame Supported Jet Ignition
Zur Verbesserung der Zündeigenschaften des Ammoniaks wird eine geringe Menge Wasserstoff benötigt, welcher durch katalytische Spaltung des Ammoniak direkt onboard gewonnen wird. Durch die Nutzung von Abgaswärme wird der Gesamtwirkungsgrad dabei kaum beeinträchtigt. Der so gewonnene Wasserstoff wird im Zylinder mit Luft vermischt (1) und wie in einem klassischen Ottomotor fremdgezündet, wodurch sich um die Zündkerze eine Flammfront ausbildet (2). Hinter der Flammfront liegt das durch die Verbrennung lokal aufgeheizte Gebiet, in das – ähnlich dem Dieselverfahren – Ammoniak direkt eingespritzt wird (3). Aufgrund der hohen Temperaturen entzündet es sich. Der Name des Verfahrens ergibt sich aus der Unterstützung der Entzündung der Ammoniakstrahlen durch die Wasserstoffvorverbrennung.

© Boysen-TUD-GRK Konstantin Schmidt

Nächste Schritte
Zukünftig sollen die Versuche auf einen optischen Einzylinder-Versuchsmotor ausgeweitet werden, um die Funktionsfähigkeit unter realen Motorbedingungen zu erproben. Die dabei gewonnenen Messdaten dienen der weiteren Kalibrierung der Simulationsmodelle und fließen somit direkt in das Teilprojekt H4 ein.