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FOR 2687:  Zyklische Schwankungen in hochoptimierten wasserstoffbetriebenen Ottomotoren: Experiment und Simulation einer Multiskalen-Wirkungskette

Fachliche Zuordnung Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Förderung Förderung seit 2019
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349537577
 
Das Ziel der Forschungsgruppe 2687 ist, die Wirkungskette zu verstehen, die zu zyklischen Schwankungen in hochoptimierten Ottomotoren führt. In der ersten Förderperiode wurden konventionelle Benzin-Kraftstoffe untersucht. Die zweite Förderperiode soll ausschließlich Wasserstoff als Kraftstoff betrachten. Die völlig anderen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Wasserstoff erfordern eine bedeutende Weiterentwicklung der Methoden und Modelle, die in der ersten Förderperiode erfolgreich entwickelt und eingesetzt wurden. In Ottomotoren schwankt der Zylinderdruckverlauf scheinbar stochastisch von Zyklus zu Zyklus, und damit auch die charakteristischen Größen wie z. B. Spitzendruck, Brennstoffumsatzrate und Mitteldruck. Verbrennungsanomalien wie Fehlzündung, Vorentflammung oder Klopfen können ebenfalls als Extremerscheinungen zyklischer Schwankungen aufgefasst werden. Sie stellen grundsätzliche Begrenzungen des effizienz-optimierten motorischen Betriebs dar. Die Schwankungen in der Verbrennung resultieren aus der Interaktion verschiedener ex- und intrinsischer Ursachen, deren Verknüpfung in Raum und Zeit hier als Wirkungskette analysiert wird. Das übergreifende Ziel der FOR 2687 ist, ein besseres Verständnis und damit Modelle und Simulationsmethoden für diese Wirkungskette zu entwickeln. Wasserstoff hat im Vergleich zu den in der ersten Förderperiode betrachteten Kohlenwasserstoffen sehr andere physikalisch-chemische Eigenschaften, insbesondere die extrem weiten Zündgrenzen, die niedrige Dichte und Zündenergie, und die Ausbildung thermo-diffusiver Instabilitäten in Vormischflammen. Diese Eigenschaften verändern die Wirkungskette zyklischer Schwankungen signifikant. Dies soll in der zweiten Förderperiode untersucht werden. Die Forschungsgruppe setzt dazu experimentelle und theoretisch-simulative Methoden ein. Erstere umfassen hauptsächlich optisch bildgebende Verfahren, die Phänomene und Zustände wie Strömung, Wasserstoffeinblasung, Mischung und Verbrennung räumlich-zeitlich aufgelöst erfassen. Versuchsträger sind optisch zugängliche Einzylindermotoren sowie ein Modellexperiment in einer Druckkammer. Large Eddy Simulation (LES) und Direkt Numerical Simulation (DNS) werden mit jeweils angepassten numerischen Verfahren und Modellen eingesetzt, ergänzend kommen niederdimensionale Verfahren hinzu. Auf Basis der experimentell validierten Ergebnisse wird die Kausalität zyklischer Schwankungen in der Zeit rückverfolgt, wozu auch neue Methoden der Analyse teilkohärenter komplexer Strömungen entwickelt werden. An allen vier Standorten der Forschungsgruppe – RWTH Aachen, U. Duisburg-Essen, TU Darmstadt und U. Stuttgart – ist die Energieverfahrenstechnik ein Schwerunkt. Mit dieser Passung und mit zielgerichteten Veranstaltungen zur Vernetzung bietet die Forschungsgruppe ihrem wissenschaftlichen Nachwuchs eine exzellente Umgebung zur Entwicklung. Sie unterstützt auch aktiv die Maßnahmen zur Verbesserung der Chancengleichheit.
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