Untersuchung des chemischen Effektes der Piloteinspritzung auf die Hauptverbrennung in einem kontrolliert selbstzündenden Ottomotor mittels Inzylindermessungen und numerischer Simulationen von H2O2, HO2 und OH

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jürgen Koß; Professor Dr.-Ing. Stefan Pischinger
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389807373

Die Verbrennung in CAI/HCCI/GCAI-Motoren (controlled auto-ignition/ homogeneous charge compression-ignition/ gasoline controlled auto-ignition) unterscheidet sich grundlegend von denjenigen in herkömmlichen Otto- u. Dieselmotoren. Mit CAI/HCCIGCAI-Brennverfahren ließen sich die NOx-Emissionen und der Brennstoffverbrauch von Ottomotoren sowie die NOx- und Partikelemissionen von Dieselmotoren drastisch senken. Der breiten Markteinführung dieser verwandten Verfahren steht jedoch die Schwierigkeit entgegen, die Zündung und maximale Druckanstiegsrate in einem genügend großen Kennfeldbereich zu kontrollieren. Dazu muss der chemische Effekt der Piloteinspritzung auf die Hauptverbrennung besser verstanden werden. Dafür soll im hier vorgeschlagenen Projekt die Rolle von H2O2, HO2 und OH untersucht werden. Dies soll mit numerischen und experimentellen Methoden geschehen. Der Schwerpunkt der ersten Förderperiode liegt auf der Entwicklung eines laserbasierten Messverfahrens zu Erfassung von H2O2 und HO2 (summarisch) zwischen Piloteinspritzung und Hauptverbrennung in einem optisch zugänglichen GCAI-Motor. Dies soll auf der bekannten PFLIF (photofragmentation laser-induced fluorescence) beruhen. Mögliche PFLIF-Signalbreiträge durch HO2 sollen durch CFD (computational fluid dynamics) bestimmt werden. Es wird erwartet, dass sich somit gezielt die Rolle von H2O2 auch experimentell untersuchen ließe, was von besonderem Interesse ist. Dazu ist es auch wünschenswert, ein Maß für die Gesamtmenge von H2O2 im Brennraum zu finden. Daher werden auch PFLIF-Messungen unter weitgehend homogenen Bedingungen im Brennraum vorgeschlagen. Da PFLIF auf der Detektion von OH beruht, das durch Photolyse aus H2O2 und HO2 erzeugt wird, müssen auch andere mögliche Vorläufer von OH sowie 'natürliches' OH betrachtet werden. In der ersten Förderperiode sollen im Wesentlichen die folgenden Fragen beantwortet werden: Kann H2O2 selektiv zwischen Piloteinspritzung (in Zwischenkompression) und Hauptverbrennung mit PFLIF gemessen werden? Sind diese PFLIF-Signale stark genug für ortsaufgelöste Einzelzyklus-Messungen? Kann dies unter relevanten Betriebsbedingungen durchgeführt werden?Wenn H2O2 (oder HO2/OH) selektiv bei relevanten Betriebspunkten mit annähernd homogenen Bedingungen im Brennraum (früher Kompressionstakt) gemessen werden kann, soll sich die zweite Förderperiode unter anderem folgende Fragen widmen: Ist das von der Piloteinspritzung erzeugte H2O2 das entscheidende 'Startermolekül' für die Hauptverbrennung? Welche Rolle spielt die Gemischhomogenisierung in der Zwischenkompression? Können motorrelevante Verbrennungsinstabilitäten wie zyklische Schwankungen, driftende Verbrennungsschwerpunktlage und 'Gedächtniseffekte' (engl.: prior-cycle effects) auf Basis der hier betrachteten Moleküle erklärt werden?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Gerd Grünefeld