Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Identifikation des Mechanismus zur initialen Vorentflammung mittels Kombination von experimentellen Untersuchungen und Simulation der Tropfenzündung

Das übergeordnete Forschungsziel des Projekts besteht in der Erklärung des grundlegenden Mechanismus, der zu einer initialen Vorentflammung bei hochaufgeladenen Ottomotoren führt. Da die Einflussfaktoren und deren Interaktion vielfältig und komplex sind, ist ein Gemeinschaftsprojekt geplant, das von den folgenden vier Instituten bearbeitet wird: Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) und Institut für Technische Thermodynamik (ITT) des KIT, Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) der TU Wien sowie Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT) der TU Graz. Das IFKM und das ITT beantragen hier die Förderung durch die Aif. Alle vier Institute haben in den vergangen Jahren an den Projekten „Vorentflammung I +II“ (KIT) und „Downsizingkraftstoffe“ (TU Wien, TU Graz) gearbeitet und in Ihren Teilbereichen wichtige Ergebnisse erzielt.

Am IFKM soll mittels eines endoskopisch zugänglichen Vollmotors die komplette Historie einer Vorentflammung optisch aufgezeichnet werden. Am IVT werden verschiedene Öle und Kraftstoffe untersucht und deren Einfluss auf die VE-Rate charakterisiert. Diese Erkenntnisse über den Einfluss der Öl- und Kraftstoffeigenschaften fließen wiederum ein in die optische Analyse des IFKM ein. Die Randbedingungen aus den Experimenten dienen dem IVT als Eingangsgrößen für die Simulation der Gemischbildung und Tropfenablösung im Brennraum. In Kombination mit den durch das ITT erstellten Zündmodellen, kann so eine Vorentflammung von der Tropfenablösung bis zur Zündung modelliert und mit den Experimenten korreliert werden. In der Kombination sind Aussagen zum auslösenden Mechanismus möglich.

Das hier generierte Verständnis der Vorentflammung ermöglicht es vor allem KMU Speziallösungen für die Automobile Anwendung zu entwickeln. Zunächst ist hier die Modellierung und Simulation zu nennen. Des Weiteren werden Sensoren, Applikationsalgorithmen und Sonderlösungen von Komponenten benötigt, die häufig von KMU beigesteuert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde der grundlegende Mechanismus von Vorentflammungen bei hoch aufgeladenen Benzinmotoren bei niedrigen Motordrehzahlen untersucht. Zur Mechanismus-Synthese wurden experimentelle und simulative Untersuchungen herangezogen. Neben der thermodynamischen Vorentflammungscharakterisierung wurden umfangreiche optische Untersuchungen sowie gezielte Schlüsselexperimente durchgeführt. In der Simulation wurden basierend auf diesen Daten umfassende numerische Studien zu durch Öltropfen induzierten Zündungen und durch heiße Partikel induzierten Zündungen durchgeführt. Eine direkte Zündung von Öltropfen ist bei den untersuchten Motorsystemen unwahrscheinlich. Alle beobachteten Vorzündungen konnten mit Ablagerungs- oder Partikelzündungseffekten erklärt werden. Basierend auf den erhaltenen Ergebnissen konnte ein grundlegender Bildungsmechanismus synthetisiert werden, der darauf hindeutet, dass Ansammlungen von Öl und Kraftstoff in der Brennkammer durch mehrere Verbrennungsprozesse so verarbeitet werden, dass hochreaktive Ablagerungen entstehen können. Diese können so erwärmt werden, dass sie eine vorzeitige Entzündung des Gemisches direkt an der Wand oder in der Gasphase auslösen können.

Mit diesem Wissen lassen sich effiziente Gegenmaßnahmen initiieren und damit kann die maximale Systemeffizienz ottomotorischer Antriebsquellen gesteigert werden.