Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Phänomenologische Modellierung von Vorentflammung in Gas-Motoren

Lean premixed gas/dual fuel combustion is an attractive solution for meeting future emission standards due to significantly lower particulate, NOx and SOx emissions with efficiency comparable to diesel combustion. The use of gas engines is becoming more and more important, especially in the maritime industry. As the engine testing costs for large dual-fuel engines are extremely high, the majority of SMEs can’t afford such expenses. Moreover, there is a lack of such specific facilities. For this reason, a predictive simulation model is needed when a company wishes to excel in the field of gas engines. The financial effort for SMEs to develop a universally applicable pre-ignition model is simply too high compared to expected outcome. Thus, the only reasonable way to overcome this hurdle for SMEs is to rely on publicly funded projects providing the information or models needed. This means explicitly that a pre-ignition model can support an SME to be globally competitive and address their customer needs. The aim of the project is to understand the process of pre-ignition in detail and transfer this knowledge to the fast 0D/1D model domain.

Pre-ignition means a complex interaction between effects like e.g. cycle-to-cycle variations of turbulence, inhomogeneities and reaction kinetics. Therefore, the project includes combined optical and cylinder pressure based fundamental investigations to approach pre-ignition influencing parameters systematically. The reference data required for the development of pre-ignition models are generated on a novel experimental test bench, which is particularly suitable for the investigation of fundamental pre-ignition phenomena of gas/dual fuel combustion processes in the cylinder. It features an optically accessible combustion chamber (with plug-ins for lube oil addition and process affecting devices), adjustable operation at engine relevant conditions as well as a wide range of speed, tuneable flow and variable gas/air charge composition.

Ergebniszusammenfassung:

Die fundamentalen Untersuchungen im Rahmen des Forschungsvorhabens zeigten, dass der Eintrag von Schmieröl in die Brennkammer eine Grundvoraussetzung für das Vorentflammungsphänomen in langsam laufenden Dual-Fuel/Gasmotoren darstellt. Sind die Randbedingungen erfüllt, so kann eine schmierölinduzierte Vorentflammung in jedem Verbrennungszyklus reproduzierbar herbeigeführt werden. Es konnte gezeigt werden, dass aufgrund der hohen zyklischen Fluktuationen die Stabilität der Verbrennung nachteilig beeinflusst wird - ein früher Verbrennungsübergang und entsprechend hohe Zylinderdrücke sind mögliche Folgen der schmierölinduzierten Vorentflammung, wodurch Bauteile schaden nehmen könnten. Das im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelte 0D/1D Simulationsmodell ermöglicht es, den Zündzeitpunkt von einzelnen Schmieröltropfen (Kleinstmengen), welche in den Brennraum eingebracht werden unter gegebenen thermodynamischen Randbedingungen zu berechnen. Die Modellierung basiert dabei auf rein chemisch-physikalischen Prinzipien (Tropfenverdampfung und Reaktionskinetik), sodass keinerlei Abstimmparameter notwendig sind. An einem optischen Versuchsträger (Flex-OeCoS) wurde ein Referenz-Datenset aufgezeichnet, gegen dieses das Simulationsmodell validiert werden konnte - für einen weiten Bereich an motorrelevanten Bedingungen konnte eine sehr gute Übereinstimmung erzielt werden. Die Verwendung des Simulationsmodells soll die kostenintensiven Tests am Vollmotor auf ein Minimum reduzieren, die Entwicklungskosten senken und die Weiterentwicklung von Brennverfahren unterstützen.