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Projekt
Numerische Untersuchung und Wirkungskettenanalyse von zyklischen Schwankungen und deren Einfluss auf die Selbstzündung bei der Wasserstoffverbrennung
Antragsteller
Professor Dr. Christian Hasse
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2019
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349537577
In Förderperiode 1 wurde mit skalenauflösenden Simulationen (LES) der Einfluss zyklischer Schwankungen auf die Entstehung klopfender Verbrennung für Kohlenwasserstoff-basierte Kraftstoffe untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für die Modellierung turbulenter Selbstzündung die komplexe Zündkinetik von Mehrkomponenten-Brennstoffen berücksichtigt werden muss. Insbesondere hat die stark nichtlineare Abhängigkeit der Zündverzugszeit von der Temperatur im Negative Temperature Coefficient (NTC)-Regime einen direkten Einfluss auf die Selbstzündung unter motorischen Bedingungen. Die für den NTC-Bereich charakteristische zweistufige Selbstzündung konnte mit einem weiterentwickelten Selbstzündmodell abgebildet werden. Nach der Validierung anhand von Daten einer direkten numerischen Simulation (DNS) aus TP 2 erfolgte die Implementierung für die motorische LES. Anhand einer Mehrzyklen-LES wurde gezeigt, dass es eine starke Wechselwirkung der Selbstzündchemie im NTC-Regime und der zyklischen Verbrennungsschwankungen gibt, die sich auf den lokalen Selbstzündprozess auswirkt. Eine schnelle Verbrennung mit großen Druckanstiegsraten und starker Kompression des Endgases resultierte in einem früheren Klopfbeginn. Die LES zeigte weiterhin eine starke Korrelation zwischen selbstzündender Masse und experimentell in TP 6 beobachteten Klopfamplituden. In der zweiten Förderperiode soll das Auftreten anormaler Verbrennungsphänomene in Wasserstoff-betriebenen Motoren untersucht werden. Sowohl Klopfen als auch Vorentflammungen lassen sich auf Selbstzündungen in der turbulenten Strömung und an heißen Oberflächen zurückführen. Unter motorischen Bedingungen zeigt sich für Wasserstoff ein sehr komplexes Selbstzündverhalten, das neben der Kinetik auch durch starke differentielle Diffusionseffekte beeinflusst wird. In den wenigen Studien zu Wasserstoffmotoren wurden bislang überwiegend globale Größen untersucht, in diesem Vorhaben steht die Analyse des lokalen Selbstzündprozesses unter motorischen Bedingungen im Vordergrund. Es soll ein besseres Verständnis der lokalen Wechselwirkung von Transport, Wasserstoff-Selbstzündchemie und - im Falle der Oberflächenzündung - der Wand erreicht werden. Die Modelle der Förderperiode 1 werden für die Wasserstoffselbstzündung erweitert, die Validierung erfolgt zunächst an generischen Flammen und DNS-Daten von TP 2. Die motorische Anwendung wird in enger Kooperation mit TP 6 untersucht. Dabei wird die Selbstzündung zunächst in einer Hochdruckkammer mit temperaturkontrollierter Oberfläche, danach im Wasserstoffmotor betrachtet. In einer Wirkungskettenanalyse wird die Wechselwirkung der lokalen Selbstzündung mit zyklischen Schwankungen der Strömung, des Restgasanteils und der Verbrennung untersucht.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
