Experimentelle Untersuchungen und mathematische Modellierung von Verbrennungsprozessen in Motoren mit homogener Selbstzündung

Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen, Bd. 2/2005

Oliver Maiwald

ISBN 978-3-8325-0933-0
127 Seiten, Erscheinungsjahr: 2005
Preis: 40.50 €

Das HCCI- (Homogeneous Charge Compression Ignition-) Verfahren besitzt theoretisch das Potenzial, die zukünftigen Emissionsgrenzwerte innermotorisch zu erfüllen. Dabei wird vor der kompressionsbedingten Selbstzündung ein sehr mageres, homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt, welches anschließend aufgrund der deutlichen Ladungsverdünnung unterhalb der NOx-Bildungstemperatur verbrennt. Die größte Herausforderung des Verfahrens ist die Steuerung der Verbrennung, da der Start der Selbstzündungsprozesse nicht durch äußere Einflüsse induziert, sondern durch die maximale Gastemperatur sowie kinetische Niedertemperaturprozesse bestimmt wird. Letztere sind jedoch nur schwer kontrollier- und somit regelbar. Zur Lösung dieser Herausforderung - und gleichzeitig die Motivation der Arbeit(- ist ein verbessertes Prozessverständnis durch detaillierte Untersuchungen der chemisch-kinetischen Prozesse zwingend erforderlich.

An optischen HCCI-Forschungsmotoren werden grundlegende optische und laserspektroskopische Verbrennungsuntersuchungen durchgeführt. Der innovative Ansatz der Arbeit ist die innermotorische Ermittlung der Gemischhomogenität über Aceton-Konzentrationsmessungen und, simultan dazu, die ortsaufgelöste, indirekte Bestimmung von Temperaturfluktuationen mit Hilfe der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Daraus lassen sich zu verschieden Zeitpunkten ortsaufgelöste Profile der Temperaturschwankungen im unverbrannten Gasgemisch bestimmen und Informationen über die statistische Verteilung der Fluktuationsamplituden und -wellenlängen ableiten.

Die erzeugten experimentellen Daten dienen der Parametrierung von numerischen Simulationen des HCCI-Verbrennungsprozesses, welche mit Berücksichtigung detaillierter chemischer Reaktionskinetik durchgeführt werden. Eindimensionale Simulationen laminarer Flamelets berechnen neben der detaillierten chemischen Kinetik die physikalischen molekularen Transportgrößen. Zusätzlich werden gasdynamische Vorgänge berücksichtigt und deren Einfluss auf das motorische HCCI-Verbrennungsverfahren abgeschätzt.

Basierend auf allen Untersuchungen lässt sich der HCCI-Verbrennungsprozess unter den beschriebenen Bedingungen in guter Näherung durch ein Ensemble homogener, voneinander unabhängiger chemischer Reaktoren modelliert werden, wobei die experimentell ermittelte, statistische Verteilung der Gastemperatur als Anfangsbedingung eingesetzt wird. Die ensemblegemittelte Druckkurve kann direkt mit gemessenen Druckkurven verglichen werden. In Folge der hervorragenden Modellgüte und der sehr kurzen Rechenzeit lässt sich das erarbeitete Modell direkt in Motorprozesssimulationsprogramme integrieren und macht dadurch die simultane Unterstützung von HCCI-Entwicklungsaktivitäten möglich.

Für die zukünftige HCCI-Brennverfahrensentwicklung liefert die Arbeit grundlegende Erkenntnisse und verdeutlicht, wie sich das HCCI- zu den konventionellen Brennverfahren unterscheidet. Speziell die gasdynamischen Untersuchungen stützen bisherige Thesen zum Motorklopfen und verdeutlichen die prinzipiellen Unterschiede zwischen Klopfen und dem HCCI-Verfahren.