Untersuchung des Auftretens und der Ursache von Selbstzündungen vor Zündungseinleitung bei aufgeladenen Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis
Final Report Abstract
In dieser Arbeit wurden Grundlagenstudien zu den Ursachen so genannter Vorentflammungen in Ottomotoren durchgeführt. Diese erfolgten durch eine Kombination aus numerischen Simulationen der chemischen Reaktionen in motortypischen Szenarien und Experimenten. Aufgrund der Resultate aus der vorangegangenen Projektphase, in Verbindung mit dem dort entwickelten Ursachenbaum, wurde der Fokus der Untersuchungen auf die Wechselwirkung zwischen flüssigem Kraftstoff, Schmieröl und der Gasphase gelegt. Die Resultate der zweiten Projektphase lassen sich wie folgt zusammenfassen: Es wurde unmittelbar experimentell durch Versuche an einem Motorsimulator (Einhubtriebwerk, engl.: Rapid Compression Machine, RCM) nachgewiesen, dass Schmieröl, wie es real in einem Motor vorliegt, die Zündung unter motortypischen Bedingungen stark beschleunigt und daher als möglicher Auslöser der Vorentflammung in Frage kommt. Allerdings bleibt die Frage nach der genauen Zusammensetzung des realen Schmierstoffs (im Gegensatz zu Modell-Schmierstoffen mit einfacher, bekannter Zusammensetzung) offen. Die durch diese und weitere Versuche motivierte Vermutung, dass die Kraftstoff/Ölfilm-Interaktion und das Motoröl wesentlich an der Entstehung der Vorentflammung beteiligt sind, können mittels verschiedener numerischer Szenarien begründet werden. Eine unerwartete Beobachtung war, dass sich während des regulären Motorbetriebs aus verhältnismäßig reaktionsträgen Ausgangsstoffen sehr reaktive Stoffe bilden können (z.B. Ketohydroperoxide), die dann die Vorentflammung auslösen können. Demnach kann durch eine Auswahl per se unreaktiver Betriebsstoffe allein noch keine Vorentflammungsfreiheit für einen Motor garantiert werden. Die Erkenntnis ergab sich aus numerischen Studien zur Kinetik der partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen. Numerische Studien zur Zündung an heißen Partikeln ergaben, dass Partikel, die nicht während des Ladungswechsels aus dem Zylinder gespült werden, ausreichend hohe Temperaturen aufweisen können, um in der Kompression eine Zündung auszulösen. Je größer die Partikel sind, desto geringer ist deren Abkühlung während des Ladungswechsels. Die Resultate stellen einen Beitrag zur Aufklärung der während der letzten Jahre immer häufiger beobachteten abnormalen Zünd- und Verbrennungsphänomene in Motoren dar. Sie zeigen erneut auf, wie wichtig eine genaue Kenntnis chemischer Reaktionen für das Verständnis und die Weiterentwicklung motorischer Prozesse ist.
Publications
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Premature flame initiation in SI engines: Modeling studies on the role of residual gas, presented at ICDERS 23rd, Irvine CA, USA, July 2011
Magar, M.; Schiessl, R.; Maas, U.
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Premature flame initiation in a turbocharged DISI engine – Numerical and experimental investigations, SAE Int. J. Engines 6(1):54-66, 2013
Palaveev, S.; Magar, M.; Kubach, H.; Schiessl, R.; Spicher, U.; Maas, U.
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Simulations and experimental investigations of intermittent pre-ignition series in a turbocharged DISI engine, published at 4th International Conference on Knocking in Gasoline Engines, December 9 and 10, 2013, Berlin
Palaveev, S.; Magar, M.; Disch, C.; Schiessl, R.; Kubach, H.; Spicher, U.; Maas, U.; Koch, T.
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Study on the influence of lubricant on auto-ignition in fuel/air mixtures. In: Proc. 6th European Combustion Meeting, June 25 - June 28, 2013, Lund, Sweden, 2013
Werler, M., M. Magar, R. Schießl und U. Maas
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Untersuchungen zum Vorentflammungsphänomen in Ottomotoren. In: 26. Deutscher Flammentag, Verbrennung und Feuerung, 14.-15. September, 2013, Duisburg, 2013
Werler, M., M. Magar, R. Schießl, S. Palaveev, U. Spicher und U. Maas
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Abschlussbericht zum FVV-Vorhaben Nr. 1051„Vorentflammung in Ottomotoren II: Untersuchung des Auftretens und der Ursache von Selbstzündungen vor Zündungseinleitung bei aufgeladenen Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis“, FVV, Heft 1040 – 2014
Stefan Palaveev, Max Magar
