Kontrollierte Selbstzündung
Ziel bei der Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren ist es, Schadstoffemissionen und den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu reduzieren ohne dabei die Leistung zu verringern.
Hierzu ist ein detailliertes Verständnis der Vorgänge im Brennraum des Verbrennungsmotors vor, während und nach der Zündung bzw. Verbrennung unerlässlich. Optische Messverfahren wie z.B. die Laserinduzierte Fluoreszenz (kurz LIF) ermöglichen es, diese Vorgänge sichtbar zu machen und somit direkt im Brennraum zu untersuchen. Gemeinsam mit fortschrittlichen numerischen Verfahren entsteht so eine Motordiagnostik, die helfen kann effizientere und emissionsärmere Motoren zu entwickeln. Ein vielversprechender Ansatz in diesem Zusammenhang stellt die Selbstzündung homogener Kraftstoff-Luft-Gemische (HCCI) dar, der hier genauer untersucht werden soll.
Bei der HCCI-Verbrennung wird ein mageres homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Kompression zur Zündung gebracht. Mit Hilfe der Kombination aus numerischen Simulationen und LIF-Experimenten soll untersucht werden, in wie weit chemische Reaktionen vor, während und nach der eigentlichen Zündung diese beeinflussen. Außerdem soll der Einfluss der lokal vorliegenden Temperatur und Gemischzusammensetzung sowie deren Fluktuation untersucht werden.
Im Rahmen numerischer Simulationen werden unter Verwendung von detaillierter Reaktionsmechanismen Untersuchungen durchgeführt, die zeigen, dass ein homogener Reaktor zur Beschreibung des vorhandenen Brennraums des Forschungsmotors sowie der gewählten Randbedingungen durchaus geeignet ist. Mit diesem nulldimensionalen Modell bietet sich die Möglichkeit, chemische Reaktionen des eingesetzten Kraftstoff-Luftgemischs bei fast jedem Zeitpunkt zu untersuchen. Hieraus kann dann unter anderem der Einfluss sich bildender intermediärer Fluoreszenzstoffe auf LIF-Untersuchungen abgeschätzt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass vorhandene Modell ohne großen Rechenaufwand zu verbessern, in dem der Brennraum in mehrere sich gegenseitig beeinflussende Reaktoren eingeteilt wird. Hiermit lässt sich der Einfluss des Mittelwertes und der Standardabweichung z.B. der Gastemperatur auf den Umsatzschwerpunkt und den Brennverlauf unter motortypischen Bedingungen untersuchen. Es zeigt sich, dass durch recht geringe Änderungen von Mittelwert und Standardabweichung der Zündbeginn und die Wärmefreisetzungsdauer in weiten Bereichen geregelt werden können.
Exemplarisch sind in Abbildung 1 für die numerische Simulation die Temperaturverläufe von 5 Zonen dargestellt. Diese unterscheiden sich zu Beginn der Simulation ausschließlich in den Anfangstemperaturen der einzelnen Zonen und repräsentieren somit unterschiedliche Bereiche im Brennraum. Aus den unterschiedlichen Verläufen lassen sich unter anderem Vorhersagen über Zündorte und die Entstehung von Schadstoffemissionen treffen.
Abbildung 1: Berechneter Temperaturverlauf fünf ausgewählter Zellen über dem Kurbelwinkel aufgetragen
Im Rahmen der experimentellen Untersuchung werden an einem kompressionsgezündeten 2-Takt Versuchsmotors LIF-Untersuchungen durchgeführt, um die numerischen Modelle zu validieren.
Abbildung 2: Schematischer Aufbau des optischen Zugangs im eingesetzten Forschungsmotor
Im Rahmen der experimentellen Untersuchung werden an einem optisch zugänglichen, kompressionsgezündeten 2-Takt Forschungsmotors LIF-Untersuchungen durchgeführt, um die numerischen Modelle zu validieren und zu verbessern. Der Aufbau sowie die einzelnen optischen Zugänge sind in Abbildung 2 schematisch dargestellt.
Der Laserstrahl wird hierzu mittels eines geeigneten optischen Aufbaus zu einem zweidimensionalen Lichtschnitt geformt und durch einen Quarzglasring in den Brennraum eingekoppelt. Mit dem Laserlicht können dann neben zugegebenen Fluoreszenzstoffen wie z.B. Aceton oder 3-Pentanon auch verbrennungstypische Spezies wie z.B. OH-Radikale angeregt werden. Das resultierende Fluoreszenzlicht wird mittels einer ICCD-Kamera senkrecht zum Laserlichtschnitt aufgenommen.
In Abbildung 3 sind exemplarisch drei LIF-Aufnahme des dem Kraftstoff beigemischten Fluoreszenzstoffs Aceton für drei verschiedene Kurbelwinkel dargestellt. Sie stammen aus dem Brennraum des weiter oben beschriebenen Versuchsmotors. Diese Aufnahmen ermöglichen z.B. Aussagen über die Kraftstoff-Luft-Verteilung im unverbrannten Gemisch und erlauben außerdem Aussagen über mögliche Zündorte und die sich anschließende Verbrennung.
Abbildung 3: LIF-Aufnahmen von Aceton aufgenommen aus dem Brennraum des eingesetzten Forschungsmotor für drei verschiedene Zeitpunkte