Experimentelle und theoretische Untersuchungen der Gemischbildung und Verbrennung eines ottomotorischen Mehrkomponenten-Modellbrennstoffes

• Antragsteller: Dr.-Ing. Gunnar Stiesch
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2006
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5411425

Bei den direkteinspritzenden Ottomotoren mit Ladungsschichtung besitzt das strahlgeführte Brennverfahren das größte Potential zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen. Zentrales Problem beim strahlgeführten Brennverfahren ist jedoch die Kontrolle der Ladungsschichtung, mit der sichergestellt werden muss, dass unter allen Betriebsbedingungen des Motors ein zündfähiges Gemisch an der Zündkerze vorliegt. Bei der Auslegung von Einspritz- und Zündsystemen ist daher ein detailliertes Verständnis der Gemischbildung sowie insbesondere auch der Einsatz von CFD-Simulationen mit hoher Vorhersagegenauigkeit notwendig. Eine wesentliche Einschränkung besteht dabei bisher bei der Abbildung des Otto-Kraftstoffs, für den sowohl in experimentellen als auch in numerischen Untersuchungen üblicherweise Einkomponenten-Modellkraftstoffe, z.B. iso-Oktan, eingesetzt werden. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es daher, das Verhalten des realen Otto-Kraftstoffs mit einem Mehrkomponenten-Modellkraftstoff sowohl in der Berechnung als auch im Experiment sehr viel genauer abzubilden. Damit kann die Aussagekraft und die Allgemeingültigkeit von Gemischbildungs- und Zünduntersuchungen wesentlich erhöht werden. Für die Modellierung werden die aliphatischen Komponenten des Kraftstoffs mit Hilfe der kontinuierlichen Thermodynamik beschrieben, d.h. es wird eine kontinuierliche Häufigkeitsverteilung als Funktion des Molekulargewichts der Komponenten angegeben. Zusätzlich wird ein diskretes Spektrum zyklischer HC-Komponenten überlagert. Schließlich wird das Verdampfungsmodell um die Abbildung des sog. Flash-Boilings, das bei niedrig siedenden Kraftstoffkomponenten an der Düsenöffnung auftreten kann, erweitert. Im experimentellen Teil des Projekts kommt ein sog. optischer Mehrkomponenten-Modellkraftstoff zum Einsatz, dessen Zusammensetzung exakt definiert ist und der die optischen Untersuchungen durch eine saubere Verbrennung erst ermöglicht. Neben dem Nachweis, dass dieser Modellkraftstoff das thermodynamische und motorische Betriebsverhalten des realen Kraftstoffs aufweist, werden damit gezielte Gemischbildungsuntersuchungen an einer Druck-/Temperatur-Kammer sowie an einem Einzylinder-Motor durchgeführt. Ziel ist eine Validierung der numerischen Ergebnisse, indem die Konzentrationen einzelner Kraftstoffkomponenten in der Gasphase detektiert werden. Eine Quantifizierung des Konzentrationsfeldes erfolgt über ein Gasentnahmeventil und Massenspektroskopie. Ergänzend werden drei Komponenten mit unterschiedlicher Flüchtigkeit mit Hilfe des LIF-Verfahrens nachgewiesen. Die Arbeiten werden in enger Kooperation zwischen den Forschungsstellen Hannover (Dr. Stiesch) und Karlsruhe (Pro£ Spicher) bearbeitet. Der experimentelle Teil wird in Karlsruhe durchgeführt, der theoretische Teil in Hannover.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen