TROJA

Sonderforschungsbereich 606

Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion Technische Systeme“

Teilprojekt A3 „Selbstzündungsprozesse bei instationären Freistrahlen“

Motivation
Die Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen wird von der Niedertemperaturoxidationskinetik dominiert. Während bei den Hochtemperaturmechanismen die Kettenverzweigung über Reaktionen im H₂-O₂-System abläuft, bestimmen brennstoffspezifische Reaktionen beispielsweise über Peroxi- und Alkoxiverbindungen den Zündprozess. 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. Das Ziel ist somit die Untersuchung der Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen in turbulenten Brennstoffstrahlen.

Einleitung
Diese Überlegungen führten zur Initiierung des Teilprojekts A3. Das Forschungszentrum Karlsruhe ist als einer der drei Projektpartner des Teilprojekts A3 im Sonderforschungsbereich 606 vertreten.
Zum Verständnis der im Diesel-Motor ablaufenden Prozesse werden gezielt die dominierenden Einzelprozesse identifiziert und durch einen geeigneten experimentellen Aufbau isoliert untersucht. Während im Zylinder eines Diesel-Motors Volumen, Druck und Temperatur zeitlich sehr stark variieren, werden die Experimente in einer Druckkammer durchgeführt. So kann ein definiertes, gut reproduzierbares Strömungsfeld generiert werden. Anstelle des flüssigen Diesel-Brennstoffs, der während des Einspritzvorgangs zerstäubt wird und anschließend verdampft, wird ein Brenngas, Ethan, verwendet. Sind die Wände der Kammer hinreichend weit entfernt, können Quencheffekte an den Wänden ebenfalls vernachlässigt werden. Somit kann das Augenmerk gezielt auf den Ausbreitungs- und Mischungsprozess des Brenngas-Freistrahles und die Selbstzündung gelegt werden.

Projektziele
Ziel ist die Entwicklung von Modellen, die eine Beschreibung der Mischung und Selbstzündung in turbulenten Strömungsfeldern erlauben.
Die Arbeiten in diesem Teilprojekt sind in drei Arbeitsschwerpunkte unterteilt:
Zunächst soll die Mischung des inerten Freistrahles ohne Verbrennungsreaktion untersucht werden. Neben dem zeitabhängigen Strömungsfeld und Mischungsbruch soll hier die Phänomenologie des Strahles untersucht werden. Dieser Teilaspekt wird vom Forschungszentrum Karlsruhe übernommen. Hier kommen verschiedene optische und laseroptische Verfahren wie Schlieren-Verfahren, Particle Image Velocimetry, Laser Doppler Anemometrie und Laserinduzierte Fluoreszenz zum Einsatz.
Das Engler-Bunte-Institut der Universität Karlsruhe untersucht die Vorgänge bei der Selbstzündung des Freistrahles sowie die relevanten Einflussparameter. Hierbei werden ebenfalls laseroptische Verfahren wie Raman-Streuung und Laserinduzierte Fluoreszenz eingesetzt.
Schließlich gehen die experimentell gewonnenen Ergebnisse in die Entwicklung neuer Modelle zur Beschreibung der Selbstzündung von Brennstofffreistrahlen ein.Am Institut für Technische Thermodynamik der Universität Karlsruhe sollen die Modelle entwickelt und numerisch umgesetzt werden. Hierbei werden Transportgleichungen für die zeitliche Evolution der gebundenen PDF's von Geschwindigkeit und Skalaren verwendet.

Experimenteller Aufbau
Am Forschungszentrum Karlsruhe wurde eine Druckbrennkammer für die experimentelle Untersuchung der Selbstzündung in instationären Brennstoffstrahlen konzipiert und in Betrieb genommen. Analytische Überlegungen (insbesondere Temperatur für die Selbstzündung) führten zu Ethan als Modell-Brenngas. Der Betriebsbereich der Hochdruckkammer liegt dadurch bei maximal 40 bar und 500°C. Die Konstruktion und Fertigung der Kammer (110mm Durchmesser, 500mm Länge, vier optische Zugänge mit 50mm Durchmesser) erfolgte gemäß Druckgeräterichtlinie. Zur Dimensionierung der Kammer wurden dreidimensionale CFD-Rechnungen mit dem kommerziellen Rechenprogramm Fluent durchgeführt. Der Brennstoff wird mit einem schnellen Injektionssystems mit verlängertem Düsenrohr eingedüst. Das so konzipierte System kann elektrisch über geeignete Timerkarten angesprochen werden und mit der jeweils eingesetzten Messtechnik synchronisiert werden. Die Einspritzdauer kann ab 1 ms frei gewählt werden und ist sehr gut reproduzierbar. Die Taktrate der Einspritzstöße ist ebenfalls frei wählbar und wird durch die verwendeten Meßmethoden bzw. Kamerasysteme limitiert. Um in der Kammer reproduzierbar messen zu können, wird die Kammer mit einem variablen Gasvolumenstrom kontinuierlich gespült.

Experimente:

Zeitaufgelöste Visualisierung des Gasfreistrahles durch das Schlierenverfahren: Einzelbildaufnahme mittels einer intensivierten Hochgeschwindigkeitskamera

Links: Rohbild	Rechts: Vektordarstellung

Messung des Geschwindigkeitsfeldes in der Kammer mittels Particle Image Velocimetry

Ansprechpartner:
Dietmar Kuhn, email: dietmar.kuhn at kit.edu