Grundlegende optische und numerische Untersuchung der Vorkammerzündung in Verbrennungsmotoren

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dreizler
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579050539

Vorkammer-Zündkerzen sind eine Schlüsseltechnologie, um hocheffiziente und emissionsarme Ottomotoren mit Magerbrennverfahren der Zukunft zu ermöglichen. Durch die Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einer kleinen Vorkammer entstehen heiße, turbulente Strahlen. Diese treten in den Brennraum ein und initiieren dort eine schnelle und stabile Verbrennung, selbst bei extrem mageren Gemischen. Mithilfe dieser sogenannten turbulenten Strahlzündung können höhere Wirkungsgrade erreicht und der Einsatz klimaneutraler Kraftstoffe mit niedriger Flammengeschwindigkeit ermöglicht werden. Gleichzeitig wird die Stabilität der Verbrennung verbessert. Der aktuelle Forschungsstand zeigt, dass die turbulente Strahlzündung ein erhebliches Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrads bietet. Zahlreiche Studien haben den Einfluss von Geometrie, Randbedingungen und Kraftstoffart auf Effizienz und Emissionen untersucht. Dennoch ist das Zusammenspiel von lokaler Turbulenz, Gemischbildung und den Wandwärmeverlusten insbesondere in den Bohrungen zwischen Vor- und Hauptkammer bislang nicht hinreichend verstanden. Diese Prozesse sind jedoch entscheidend dafür, wie das Gemisch im Brennraum gezündet wird. Dabei stellt sich die Frage, ob die Flamme aus der Vorkammer in den Brennraum propagiert oder in den Bohrungen verlischt, gefolgt von einer Selbstzündung durch den heißen Strahl. Ein Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend, um zuverlässige Zündsysteme für zukünftige Kraftstoffe zu entwickeln und den motorischen Betriebsbereich zu erweitern. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts besteht darin, ein umfassendes Verständnis der zugrunde liegenden thermochemischen und strömungsdynamischen Prozesse sowie ihrer Kopplung bei der turbulenten Strahlzündung zu erlangen. Zu diesem Zweck sind detaillierte experimentelle Untersuchungen unter Verwendung hochauflösender optischer Diagnostik auf drei sich ergänzenden, komplementären optischen Prüfständen geplant. Diese reichen von einer optisch zugänglichen Druckkammer mit optisch zugänglicher Vorkammer bis hin zu einem optisch zugänglichen Motor mit seriennaher Vorkammerzündkerze. Während die vereinfachten Aufbauten detaillierte Analysen ermöglichen, erlauben die realistischen Systeme Rückschlüsse auf die praktische Anwendbarkeit. Begleitend zu den Experimenten werden numerische Simulationen durchgeführt, um nicht messbare Parameter zugänglich zu machen, detaillierte Analysen zu unterstützen und die Ergebnisse in Form validierter Modelle über dieses Projekt hinaus verfügbar zu machen. Das Ziel besteht darin, allgemeine Prinzipien und dimensionslose Parameter abzuleiten, die unabhängig von spezifischen Geometrien oder Randbedingungen sind und die Zündmechanismen beschreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Kai Herrmann; Dr. Yuri Wright