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Experimentelle Untersuchungen und mathematische Modellierung von Verbrennungsprozessen in Motoren mit homogener Selbstzündung
Dr. Oliver Maiwald Universität Karlsruhe Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. habil. Ulrich Maas Zusammenfassung der Dissertation Das Erfüllen der künftigen Emissionsgrenzwerte bei vertretbaren Kosten ist eine der Herausforderungen bei der Pkw-Motorenentwicklung. Mit dieser Motivation wird gegenwärtig nach möglichen Alternativen zu den konventionellen Pkw-Brennverfahren gesucht, um sich durch innermotorische Verbrennungsprozessoptimierungen den zukünftigen Emissionsgrenzwerten anzunähern. 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). Der indirekte Ansatz basiert auf Messungen von ortsaufgelösten Schwankungen der Formaldehydkonzentration. Mit Kenntnis der berechneten Korrelation zwischen Temperatur und Formaldehydkonzentration lassen sich daraus zu verschieden Zeitpunkten ortsaufgelöste Profile der Temperaturschwan¬kungen 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 als eine sequenzielle Selbstzündung verschiedener unverbrannte Gasbereiche verstehen, der maßgeblich von der lokalen Temperatur bestimmt wird. Die verschiedenen Brennraumbereiche verhalten sich dabei weitgehend unabhängig voneinander. Es gibt bei geringer Turbulenz keine wesentliche Interaktion der chemischen Reaktionen mit den molekularen Transportprozessen Wärmeleitung und Diffusion oder mit Stoßwellen. Mit diesen Erkenntnissen kann der zeitliche Verlauf der Wärmefreisetzung, ebenso wie die chemische Reaktionskinetik, 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. < zurück |
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