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.
