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TP - A3
Selbstzündungsprozesse bei instationären Freistrahlen

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. Henning Bockhorn
Engler-Bunte-Institut
Lehrstuhl für Verbrennungstechnik(EBI-VBT)
Engler-Bunte-Ring 1
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Telefax: ++49 (0)721 608 7770
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Dr. Wolfgang Breitung
Karlsruhe Institut für Technologie, Campus Nord
Institut für Kern- und Energietechnik
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D-76021 Karlsruhe
Telefon: +49-7247 82 6665
Telefax: +49-7247 82 2463
E-mail:

Prof. Dr. Ulrich Maas
Institut für Technische Thermodynamik (ITT)
Universität Karlsruhe (TH)
Kaiserstr.12
76128 Karlsruhe
Telefon: +49(0)721/608-6170 oder -3930
Telefax: 49(0)721/608-3931
E-mail:

  
Ergebnisse des Teilprojekts Veröffentlichungen
  

Zusammenfassung

Die Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen wird von der Niedertemperaturoxidationskinetik dominiert, bei der im Gegensatz zu den Hochtemperaturmechanismen (bei denen die Kettenverzweigung über Reaktionen im H2-O2-System abläuft) brennstoffspezifische Reaktionen (z.B. über Peroxi-und Alkoxiverbindungen) den Zündprozess kontrollieren. Bei der Verbrennung in Verbrennungsmotoren erschwert neben der komplexen chemischen Kinetik auch deren Kopplung mit der instationären, meist turbulenten Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel die detaillierte Beschreibung der Zündung. Diese Sachlage führt dazu, dass die detaillierten physikalisch-chemischen Prozesse bei der Selbstzündung von Freistrahlen auch heute noch nicht befriedigend verstanden sind.

Ziel des Teilprojekts ist daher ein besseres Verständnis der komplexen Prozesse bei der Zündung von turbulenten Freistrahlen durch experimentelle Untersuchung und mathematische Modellierung. Insbesondere soll geklärt werden, unter welchen Bedingungen Zündung erfolgt (in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Strömungsfeld), welche Einflussparameter die Zündverzugszeit kontrollieren und wie die instationäre Zündung/Verbrennung in einem turbulenten Strömungsfeld abläuft. Aus den experimentellen Untersuchungen sollen Modelle entwickelt werden, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Die Schwierigkeiten bei diesem Teilprojekt liegen darin, dass die Zündung sowohl von der Mischung, der Turbulenz und auch von der Kinetik kontrolliert wird und daher hohe Anforderungen an die verwendeten Submodelle für Mischung, Turbulenz und chemische Reaktion und deren Kopplung vorliegen. Zur Klärung der komplexen Vorgänge im instationären reaktiven Freistrahl wird der Gesamtvorgang in drei Stufen untersucht: a) inerte Phase mit turbulentem Mischungsprozess (FZK), b) Zündvorgang (ITV) c) reaktive Phase mit Verbrennung (ICT).

Für die experimentellen Untersuchungen zur inerten und reaktiven Phase (Schritte a) und c)) sollen zwei weitgehend identische Apparaturen aufgebaut werden, bei denen durch eine Düse zeitlich kontrolliert ein Strahl aus Inertgas bzw. Brennstoff in ein vorgeheiztes Oxidationsmittel eingedüst wird. Hierbei werden Turbulenz, Form und Geschwindigkeit des Brennstoffstrahls variiert. Zur Untersuchung der inerten Phase wird die räumliche Mischungsbruchverteilung (mit LIF bei NO-Tracerung), das momentane Strömungsfeld (mit PIV) sowie die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen (mit LDA) untersucht. Ein Ziel ist auch die Messung instationärer Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen (PDF's) des Mischungsanteils. Für die Untersuchung der reaktiven Phase wird LIF eingesetzt, wobei neben OH auch insbesondere Alkoxi-Radikale erfasst werden sollen. Längerfristig werden in diesem Teil des Vorhabens auch aromatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt. In Schritt b) wird aus den experimentellen Ergebnissen mit Modellen für die Zündverzugszeit abgeschätzt, wo die Zündung des Freistrahls einsetzt. Schließlich werden Modellierungsansätze entwickelt, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Hierbei werden Transportgleichungen für die zeitliche Evolution der gebundenen PDF's von Geschwindigkeit und Skalaren verwendet.

Teilprojekt A3 liefert wichtige Informationen zum Verständnis der Zündung in direkteinspritzenden Motoren (Teilprojekt C4) und für die NO-Bildung bei instationärer Flammenausbreitung (Teilprojekt A4). Die Modelle für die Kopplung der Mischung mit chemischen Reaktionen werden auch auf partiell vorgemischte Systeme (z. B. bei Ladungsschichtung, Teilrojekt C3) angewendet. Darüber hinaus ist dieses Teilprojekt eng mit dem Teilprojekt A1 verknüpft, in dem die unterschiedlichen Reaktionskanäle von Alkoxi-Radikalen unter transienten Druck- und Temperaturbedingungen untersucht werden. Ebenso besteht eine enge Verknüpfung zu Teilprojekt A2, in dem die Reaktionen für die Zündung von zyklischen Kohlenwasserstoffen untersucht werden. Schließlich liefert dieses Teilprojekt Informationen zu Teilprojekt A9, in dem die Zündung und instationäre Flammenausbreitung unter turbulenten Bedingungen untersucht wird. Längerfristig sollen die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens Werkzeuge zur Vorentwicklung von motorischen Verbrennungskonzepten liefern.

 

 


  
Wissenschaftliche Mitarbeiter: 
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Telefon: 07247 82 4159
Telefax: 07247 82 4837
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Dr. Andreas Class
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Dr. Dietmar Kuhn
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Dr. Dietmar Schmidt
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Telefax: 0711/ 685-5653
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PD Dr. Rainer Suntz
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Henning Haessler
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Dipl.-Ing. Stefan Lipp
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