Experimentelle Untersuchung und Modellierung stochastischer Klopfereignisse bei hochaufgeladenen Benzin-Motoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Forschungsvorhaben werden zyklische Schwankungen der Entflammung an der Klopfgrenze eines aufgeladenen Ottomotors sowohl im stöchiometrischen als auch im mageren, homogenen Betrieb untersucht. Dabei werden sowohl motorische Untersuchungen, wie auch Modellierungen der Entflammung nach der Fremdzündung im Rahmen von LES Strömungssimulationen durchgeführt. Die Analyse der Druckkurven der motorischen Untersuchungen zeigt für alle Luftverhältnisse λ einen Zusammenhang zwischen Zyklen mit hoher max. Klopfamplitude und kurzen Brennverzügen bis zum 5%-Umsatzpunkt. Weiter weisen Zyklen mit hohen max. Klopfamplituden vor Klopfbeginn eine höhere Brenngeschwindigkeit auf. Zyklen mit niedrigen max. Klopfamplituden (kein Klopfen) zeigen dagegen lange Brennverzüge und niedrigere Brenngeschwindigkeiten. Dabei nehmen die zyklischen Schwankungen der Brennverzüge mit dem Luftverhältnis λ von ca. 5 °KW bei λ = 1.0 bis ca. 9 °KW bei λ = 1.5 zu. Mit der optischen Untersuchung der OH-Chemolumineszenz können weitere Informationen über die frühe Entflammungsphase gewonnen werden, wo eine Analyse der Druckkurven aufgrund der zu geringen Abweichung vom geschleppten Druck nicht aussagekräftig ist. Zunächst zeigt sich eine Übereinstimmung mit den Druckanalysen, so dass die zyklischen Schwankungen in der Ausbreitung der OH-Radikale mit steigendem Luftverhältnis λ zunehmen. Mittels der Auswertung der äquivalenten sphärischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Flächen mit OH-Chemolumineszenz lässt sich weiter eine Abnahme der Ausbreitungsgeschwindigkeiten mit steigendem Luftverhältnis λ von einer gemittelten Geschwindigkeit von ca. 20 m/s bei λ = 1.0 bis ca. 11 m/s bei λ = 1.3 feststellen. Dabei zeigen die jeweils 10 Zyklen mit den niedrigsten und höchsten max. Klopfamplituden für λ = 1.0 ein deutlich ähnlicheres Entflammungsverhalten als für λ = 1.3. Ein Modell zur Auflösung zyklischer Schwankungen der Entflammung simuliert die Auslenkung des Zündfunkens durch die Brennraumströmung. Weiter werden die Energieeinträge ins Zündplasma durch den Funken und umgesetzten Kraftstoff, sowie Wärmeverluste durch Konvektion an der Zündkerze berücksichtigt. Nach Erreichen eines Umschaltkriteriums wird von der Annahme eines zylinderförmigen Zündplasmas auf eine sphärische Flammenausbreitung gewechselt. Dabei zeigen die sphärischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten eine gute Übereinstimmung mit den äquivalenten sphärischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Flächen der OH-Chemolumineszenz. Mit Hilfe dieses Modells können die zyklischen Schwankungen der Entflammung mit guter Näherung wiedergegeben werden. Wesentliche Elemente wie Mittelwert des 5%-Brennverzugs, Streubereich der Brennverzüge und Veränderung des Brennverzugs in Abhängigkeit des Zündwinkels oder des Luftverhältnisses λ stimmen mit den Ergebnissen der Messungen überein. Es zeigt sich, dass nach Erreichen des Umschaltkriteriums und somit dem Beginn der rein sphärischen Flammenpropagation der weitere Energieeintrag durch den Zündfunken (ca. 12 W im Vergleich zum Energieeintrag durch Kraftstoffumsatz: ca. 600 W) nur noch von untergeordneter Bedeutung für den Brennverzug ist. Für die Untersuchung der Auswirkungen der zyklischen Schwankungen der Entflammung auf die Selbstzündneigung im Unverbrannten werden LES-Verbrennungssimulationen auf Basis der am Prüfstand ermittelten Brennfunktionen mit einem nicht-prädiktiven Verbrennungsmodell durchgeführt, das die Ausbreitung der Flammenfront aufgrund lokaler turbulenter Strukturen berücksichtigt. Diese Simulationen werden mit einem Selbstzündmodell nach Stapf für die Reaktionskinetik im Unverbrannten gekoppelt. Dabei wird die Masse im Unverbrannten anhand der unverbrannten Enthalpie in 100 Zonen eingeteilt. Mittels eines Reaktionsmechanismus nach Golovitchev wird aus der Information über Druck, Temperatur, Restgasanteil und Mischungsbruch die Wärmefreisetzungsrate für jede Zone bestimmt. Die durchgeführten LES-Simulationen auf Basis der Strömungsfelder mit dem jeweils kürzesten und längsten Brennverzug und einer Brennfunktion eines Zyklus mit hoher und niedriger max. Klopfamplitude zeigen für die Zyklen mit kurzem Brennverzug thermodynamische Zustände im Unverbrannten, die zu einer höhere Klopfneigung führen. Die gekoppelte Reaktionskinetik zeigt weiter für die Zyklen mit kurzem Brennverzug eine inhomogenere Verteilung der Wärmefreisetzung aus der Reaktionskinetik. Zukünftige Arbeiten können sich mit den bisher vernachlässigten Effekten bei der Modellierung der Selbstzündung im Unverbrannten befassen: • Inhomogenitäten In der Kraftstoffverteilung • lokale und zyklische Unterschiede der Wandtemperaturen • Verschmutzungen des Brennraums durch Russablagerungen oder von den Kolbenringen abgescherte Öltröpfchen Für einen ausgedehnten Magerbetrieb von Ottomotoren ist ein stabiles Brennverfahren mit möglichst geringen zyklischen Schwankungen der Strömung, Gemischaufbereitung und Entflammung zielführend, um so einen optimalen Wirkungsgrad durch einen Zündzeitpunkt nahe der Klopfgrenze erzielen zu können. Mit Hilfe des entwickelten Entflammungsmodells kann ein Beitrag zur Vorhersage und Bewertung der zyklischen Schwankungen geleistet werden.
