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Multikomponentenverdunstungs- und Flash-Boiling-Modellierung
Dr. Sebastian Rakowski Universität Hannover Betreuer: Prof. Dr.-Ing. habil. G. P. Merker Zusammenfassung der Dissertation Trotz eines steigenden Anteils von Dieselmotor angetriebenen Pkw auf zur Zeit deutlich über 40 %, ist der Ottomotor weiterhin das am weitesten verbreitete Antriebskonzept im Pkw-Segment. Im Gegensatz zum Dieselmotor weist der Ottomotor nur eine geringe Emissionsproblematik auf, verfügt jedoch aufgrund der geringen Systemkosten über ein großes Weiterentwicklungspotenzial. Insbesondere die Kombination von Direkteinspritzung, Downsizing und Aufladung zeigt den Trend in der Entwicklung von Ottomotoren auf, wie zuletzt von VW und BMW eindrucksvoll gezeigt. Die CFD-Simulation (Computational of Fluid Dynamics) hat insbesondere in der Brennverfahrensentwicklung einen bedeutenden Stellenwert erreicht und ist damit zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Entwicklung moderner Brennverfahrenskonzepte geworden. Kommerzielle CFD-Software beschreibt die Zerstäubung, Verdunstung und Verbrennung des Benzins zumeist mittels einer einzigen Komponente, welche in ihren Eigenschaften dem Benzin ähnlich ist (z.B. n-Heptan oder iso-Oktan). Benzin besteht jedoch aus einer Vielzahl unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe (Alkane, Alkene, Aromaten, etc.), welche ein großes Spektrum von leichtsiedenden bis zu schwersiedenden Anteilen aufweisen. Einige im Benzin enthaltene Komponenten können bereits unter Umgebungsbedingungen verdunsten und führen bereits nach einer kurzen Zeit zu einer Entmischung des Brennstoffes. Dadurch ändern sich die Stoffeigenschaften des Gemisches entscheidend. Hier wird der Nachtteil der Substitution des Benzins durch einen einzigen Kohlenwasserstoff deutlich: Insbesondere unter extremen Bedingungen wie Kaltstart und Heißstart (Flash-Boiling), wenn die Stoffeigenschaften des Fluids dominieren, kann der Ersatzbrennstoff das Verhalten von Benzin nur unzulänglich darstellen und verhindert eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den realen Motor. Das in der hier vorgestellten Arbeit entwickelte Multikomponentenverdampfungsmodell beschreibt das Benzin mittels eines statistischen Ansatzes über eine Verteilungsfunktion. Die Verteilungsfunktion beschreibt das Verhalten eines Gemisches bestehend aus unendlich vielen Komponenten. Die Form der Verteilungsfunktion, und damit die Zusammensetzung des abgebildeten Benzins, ändert sich innerhalb des Verdunstungsprozesses und erlaubt so eine Darstellung von Entmischungsvorgängen während des Verdampfungsvorganges. Um den Detaillierungsgrad weiterhin zu erhöhen wurde die Verteilungsfunktion durch eine einzelne aromatische Komponente erweitert; Aromaten spielen insbesondere bei der Modellierung der Zündung und Schadstoffbildung eine bedeutende Rolle. Dieses entwickelte Modell wurde dazu eingesetzt, um das sogenannte Flash-Boiling-Phänomen zu beschreiben. Beim Flash-Boiling kommt es aufgrund der plötzlichen Entspannung zu einem Überhitzen des Fluids, z.B. bei der Einspritzung während eines Heißstarts, zu einer sehr schnellen Verdunstung, die häufig mit einem vollständigen Kollaps des Einspritzstrahles einhergeht. Das Flash-Boiling wird maßgeblich vom Dampfdruck des Benzins bestimmt, welcher jedoch nicht mit dem Dampfdruck eines Ersatzbrennstoffes dargestellt werden kann. < zurück |
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