Detailseite
Projekt
Untersuchung und Modellierung der frühen Flammenausbreitung in Wasserstoff-betriebenen Ottomotoren
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349537577
Der Übergang vom gezündeten laminaren Flammenkern zur turbulenten Flamme ist entscheidend für zyklische Schwankungen in Ottomotoren. Bei Gemischen mit einer von eins abweichenden Lewis-Zahl kann dieser Übergang aufgrund der starken Krümmung des kleinen Flammenkerns durch differentielle Diffusion erheblich beeinflusst werden. In der zweiten Förderperiode soll Wasserstoff als Kraftstoff verwendet werden. Im Gegensatz zu Iso-Oktan-Flammen, die in der ersten Förderperiode untersucht wurden und eine effektive Lewis-Zahl größer als eins haben, weisen magere Wasserstoffflammen eine effektive Lewis-Zahl kleiner als eins auf. Dadurch nimmt die lokale Brenngeschwindigkeit in stark konvex gekrümmten Flammenkernen durch differentielle Diffusion nicht mehr wie bei Iso-Oktan ab, sondern zu. Dies kann zu thermodiffusiven Instabilitäten, und damit zu einem signifikanten Anstieg der turbulenten Brenngeschwindigkeit führen. Deshalb verläuft der Übergang von laminaren Flammenkernen zu turbulenten Flammen für Wasserstoff deutlich anders als für Iso-Oktan. Dieses Teilprojekt verfolgt das Ziel, zyklische Schwankungen der frühen Flammenausbreitung in Wasserstoff-betriebenen Motoren zu untersuchen und zu modellieren. Hierzu sollen sowohl Direkte Numerische Simulationen (DNS) der frühen Flammenkerne als auch Large Eddy Simulationen (LES) des Motors aus TP 1 durchgeführt werden. DNS sollen für eine vereinfachte Motorgeometrie, aber zum ersten Mal unter motorrelevanten Bedingungen unter Berücksichtigung der Zündkerze, der Interaktion zwischen Funkenkanal und Strömung, sowie einer durch die Tumble-Strömung verursachten Relativgeschwindigkeit durchgeführt werden. Simulationen sollen zunächst für eine homogene Kraftstoffverteilung durchgeführt werden, wobei die Betriebsbedingungen aus den Experimenten in TP 1 abgeleitet werden. Mithilfe der aus den Experimenten in TP 3 und den LES in TP 5 gewonnenen Ergebnisse bezüglich Mischungsverteilung werden auch DNS mit inhomogener Kraftstoffverteilung durchgeführt. Weiterhin werden 2D-DNS zur Selbstzündung von Wasserstoff-Luft-Gemischen durchgeführt, die dann von TP 7 zur Modellierung des Klopfens verwendet werden. Die resultierenden Daten werden mit Messdaten aus TP 1 und TP 3 verglichen. Die Interaktion zwischen den intrinsischen Instabilitäten und der Turbulenz sowie die Einflüsse der Relativgeschwindigkeit und der Zündkerze werden mithilfe des Optimal-Estimators und der Dissipationselemente-Analyse untersucht und anschließend in LES-Modelle überführt. DNS-Daten mit inhomogener Kraftstoffverteilung werden gemeinsam mit TP 5 zur Modellbildung verwendet. Hier ist besonders der Einfluss von Gemischinhomogenitäten auf die intrinsischen Instabilitäten von Interesse. Modelle werden in LES der experimentellen Konfiguration von TP 1 validiert. Eine Rückwärtsanalyse der zu zyklischen Schwankungen führenden Wirkungskette wird mithilfe der LES und Experimente aus TP 1 durchgeführt.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
