Aufgabenstellung: Ein wirkungsgradbegrenzender Faktor beim Ottomotor ist das Verdichtungsverhaeltnis. Einer im Sinne der Wirkungsgradsteigeruung und damit Verbrauchsreduzierung wuenschenswerten Erhoehung des Verdichtungsverhaeltnisses steht wegen der Motorschaedigung das Problem der klopfenden Verbrennung entgegen. Hierbei handelt es sich, nach heutigem Kenntnisstand, um unkontrollierte Selbstzuendung von Frischgemisch in der Endphase des Verbrennungsprozesses. Diese Selbstzuendungen ereignen sich in deutlichem Abstand von der normalen Flamme, die durch die Zuendkerze zu einem definierten Zeitpunkt erzeugt wurde und sich durch das Frischgemisch sukzessive ausbreitet. Die im Vergleich zur normalen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von ca 30 m/s ungeheuere Schnelligkeit der klopfenden Verbrennung (Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Reaktionszonen (Flammen) und Druckwellen bis ca 1500 m/s; Ueberschallbereich) macht die Untersuchung der Vorgaenge sehr schwierig. Bis heute sind die Ursache-Wirkungs-Zusammenhaenge bei der klopfenden Verbrennung und somit der Mechanismus der schnellen Flammenausbreitung nicht geklaert. Gleiches gilt sowohl fuer die Ursachen der einsetzenden Selbstzuendungen als auch fuer die Ursachen der Motorschaeden. Der experimentelle, dh messtechnische Aufwand fuer eine detaillierte Analyse der klopfenden Verbrennung ist erheblich und erfordert groessere Modifikationen am Motor, zB grossflaechige optische Fenster, so dass derartige Untersuchungen Aufgabe grundlegender Forschung sind.
In previous research projects in the Non-nuclear Energy R + D programmes a number of optical methods have been successfully aplied to observe the behaviour of model fuels like n-heptane or heptamethylnonane and real diesel fuel injected into an observtion chamber under diesel engine conditions, i.e. at high temperatures and high pressures. The main objective of the proposed investigation is the extension of the existing knowledge to the case of multi-component fuels. Various optical techniques will characterize spray formation and propagation, mixture formation of different fuel species, auto-ignition and soot formation after injection into quiescent or turbulent air. The data will be added to the broad data base from pressure chamber experiments which is already available and used for the assessment of the SPEED and SPICE code.
Entwicklung eines direkteinspritzenden Wasserstoff-Dieselmotors mit hoher Leistungsdichte und geringer Abgasemission in enger Kooperation mit einem Industrieunternehmen und einem weiteren Lehrstuhl der TU Muenchen. Bei dem Motor handelt es sich um einen Vier-Takt-Schiffsdieselmotor mit innerer Gemischbildung und Kompressionszuendung. Es werden Untersuchungen zur Wasserstoffeinbringung und zur Gemischbildung im Brennraum durchgefuehrt. Die Verbrennungsfuehrung unter sicherer Vermeidung detonativer Reaktionen im Brennraum wird wie die erwaehnten Gemischbildunguntersuchungen mit laser-optischen Messmethoden durchgefuehrt. Durch numerische Simulationen konnte festgestellt werden, dass eine Kompressionsendtemperatur von ueber 1000 K erreicht werden muss, damit eine Selbstzuendung des Wasserstoffs, der nahe des oberen Totpunktes mit 300 bar eingeblasen wird, stattfinden kann. Dies deckt sich mit den Ergebnissen, die in einem Einhub-Triebwerk, einer sogenannten 'Rapid Compression Machine', gewonnen wurden. Durch Variation des Einblasezeitpunkts konnte eine deflagrative Verbrennung, d.h. kein Klopfen oder Nageln, erreicht werden.
Bei der Modellierung des dieselmotorischen Prozesses kommt der Selbstzuendung des Brennstoffes eine zentrale Bedeutung zu. Vollstaendige Reaktionsmechanismen, die die ablaufenden chemischen Prozesse exakt beschreiben, sind sehr umfangreich und somit auch fuer Modellrechnungen schlecht handhabbar. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es nun, basierend auf den vollstaendigen Reaktionsmechanismen durch Einfuehrung von Stationaritaetsannahmen, einen systematisch reduzierten Mechanismus zu entwickeln, der trotzdem in der Lage ist, die reaktionskinetischen Vorgaenge detailliert aufzuloesen. Dabei wird eine Einsparung der zur Modellierung benoetigten Rechenzeit von mehreren Groessenordnungen erwartet.