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Zusammenfassung des Sonderforschungsbereichs

... an overview in english                  
ERCOFTAC Bulletin, vol. 59, dec. 2003

Gegenwärtig werden etwa 80% der Primärenergie durch Verbrennung fossiler Brennstoffe bereitgestellt. Bis zum Jahr  2020 wird ein um 65% steigender Bedarf prognostiziert. Der gesamte Primärenergiebedarf wird dann schätzungsweise zu 95% aus fossilen Brennstoffen gedeckt. Die wichtigsten Technologien zur Energieumwandlung beruhen daher gegenwärtig und auch in überschaubarer Zukunft auf der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Verbrennungsmotoren, Gasturbinenbrennkammern und technischen Feuerungen. Dieser Technikbereich repräsentiert gegenwärtig ein wichtiges wirtschaftliches Potenzial und stellt den größten Anteil an Arbeitsplätzen - in direkter oder indirekter Abhängigkeit  -  zur Verfügung.

Bei Verbrennungsmotoren (Diesel- und Otto-Motoren) fokussierte sich die technische Entwicklung auf die Kraftstoff-Direkteinspritzung, die große Möglichkeiten hinsichtlich der Verbrauchsabsenkung und Minimierung von Schadstoffen in sich birgt. Bei stationären und mobilen Gasturbinen zeigt der vorgemischte, magere Betrieb erhebliches Potenzial zur Verringerung der NOx- und Rußemission. Die gestufte Verbrennung mit einer Magerstufe in Drallflammen hoher Energiedichte ist bei technischen Feuerungen mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen das zukunftsweisende Konzept.

Bei diesen fortschrittlichen Verbrennungskonzepten spielen instationäre Prozesse eine überragende Rolle. So sind z.B. die wesentlichen technischen Probleme bei fortschrittlichen „stationären“ Verbrennungskonzepten auf instationäre Vorgänge zurückzuführen. Anzuführen sind hierbei etwa Zünd/Löschvorgänge und Flammenrückschlag bei magerer, vorgemischter Betriebsweise. Damit verbunden sind die Brennstoffaufbereitung und Mischung in instationären Strömungen sowie die Schadstoffbildung oder Kopplung von Energiefreisetzung und Strömung (Thermoakustik) in instationären Mischungsfeldern. Gemischbildung und Verbrennung in Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung erfolgen grundsätzlich instationär.

Trotz der grundlegenden Bedeutung instationärer Prozesse für die technische Energieumwandlung ist die Kopplung von Verbrennung, chemischen Reaktionen, Stoff- und Wärmeübertragung in instationären Geschwindigkeits-, Temperatur-  und Druckfeldern in ein- oder mehrphasigen Strömungen  gegenwärtig nur wenig verstanden.  Durch die Weiterentwicklung von experimentellen Methoden, insbesondere berührungslosen, abbildenden laserspektroskopischen Verfahren, und  von numerischen Methoden lassen sich neue Herangehensweisen an die Probleme  instationärer Verbrennung entwickeln. Dies hat zur  Planung des hier beantragten Sonderforschungsbereichs „Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktionen, Technische Systeme“  geführt. Die  Projekte dieses Sonderforschungsbereichs orientieren sich an wesentlichen Phänomenen und Problemen bei modernen und zukunftsweisenden Entwicklungen  in der technischen Verbrennung und sind darüber miteinander verknüpft. Die Vorhaben sind in die Projektbereiche „Elementare Prozesse bei der instationären Verbrennung“ (Projektbereich A), „Zusammengesetzte, komplexe Phänomene“ (Projektbereich B) und schließlich „Optimierung von Verbrennungsmaschinen“ (Projektbereich C) gegliedert. Die Einzelprojekte sind weiterhin um die Themenfelder „Chemische Reaktionen in instationären Mischungs- und Druckfeldern“, „Instationäre Einspritzstrahlen und Verbrennung“, „Instationäre Filmströmungen und Grenzschichten“, sowie „Zünden, Löschen, Instationäre Flammenausbreitung, Thermoakustik“ gruppiert, die die Projektbereiche übergreifen.

Im Projektbereich A werden in den einzelnen Themenfeldern  Strahlausbreitungs- und Zündvorgänge an nichtstationären Brennstoffstrahlen, instationärer Wärmeübergang beim Auftreffen von Brennstoffstrahlen auf Wände,  Effekte von „Nichtgleichgewichtskinetik“, elementarkinetische Prozesse bei der Zündung von Kohlenwasserstoffen sowie Kopplung von instationärer Flammenausbreitung und Schadstoffbildung untersucht.  Der Projektbereich B befasst sich mit Phänomenen in instationären Strömungen, bei denen mehrere Prozesse zusammenwirken - z.B. die Zündung von Kraftstoffsprays in  Strömungen heißer Gase, die  Tropfen-Wand-Interaktion und der Tropfenabriss,  instationäre Flammenausbreitung unter nichtadiabaten Bedingungen und der Wirkung kalter Wände sowie Verbrennungsinstabilitäten. Schließlich werden im  Projektbereich C Entwicklungen direkt technische Systeme umgesetzt. Längerfristig sollen damit das Verständnis der Phänomene bei instationärer Verbrennung vertieft und Lösungen der vorhandenen technischen Probleme erarbeitet werden. Die Lösung der gegenwärtig vorhandenen Probleme bei zukunftsweisenden Verbrennungskonzepten hat unmittelbar Auswirkung auf die Arbeitsplätze der Zukunft.