Verbrennung

In der optisch zugänglichen Spraykammer wird die Sprayausbreitung von unterschiedlichen Kraftstoffen und Injektoren unter motorähnlichen Bedingungen untersucht. Durch den Einsatz verschiedener beheizbarer Bodenplatten lassen sich zudem Spray-Wand-Wechselwirkungen analysieren. Die Ergebnisse liefern grundlegende Erkenntnisse über das Gemischbildungsverhalten in Verbrennungsmotoren.

Für Gemischbildungs-, Zünd- und Verbrennungsexperimente steht eine optisch zugängliche Brennkammer mit konstantem Volumen zur Verfügung. Fünf optische Zugänge, verschiedene Injektoren, Zündkerzen und neuartige Zündsysteme sowie die Möglichkeit zur Gas-Einblasung mit unterschiedlichem Drall bieten hohe Flexibilität.

In einer optisch zugänglichen schnellen Kompressionsmaschine (engl: Rapid Compression Machine, kurz: RCM) wird neben hohen Temperaturen und Drücken ebenfalls die Kompression eines Verbrennungsmotors nachgestellt. Somit kann der Verbrennungstakt eines Motors realistisch nachgebildet werden. Der Einsatz der RCM ermöglicht die Variation vieler wichtiger motorischer Parameter wie die Variation des Hubes, des Kompressionsverhältnisses als auch des Turbulenzniveaus im Brennraum. Zusätzlich zu den Motorparametern kann die RCM mit verschiedenen Kraftstoffen und Brennverfahren betrieben werden.

Untersuchungen zur Einspritzung, Gemischbildung, Verbrennung und Emissionsverhalten von fossilen und alternativen Dieselkraftstoffen werden am Einzylinder-Dieselmotor durchgeführt. Der Kurbeltrieb wird über einen Elektromotor geschleppt im sogenannten „Skip-Fire“-Modus betrieben. Der Zylinderkopf, die Zylinderwände und der Kolben sind beheizbar. Zwei Seitenfenster und ein Kolben aus Quarzglas gewährleisten die optische Zugänglichkeit in den Brennraum. Piezoresistive Druckaufnehmer sind zur Durchführung von Druckverlaufsanalysen im Brennraumdach angebracht.

Für Untersuchungen an Vollmotoren steht ein Prüfstand mit einer wassergekühlten Wirbelstrombremse zur Verfügung. Der Prüfstand eignet sich sowohl für Otto- als auch Dieselmotoren. Für Mess- und Verstellaufgaben stehen INCA-Werkzeuge sowie verschiedene Messmodule von der ETAS GmbH zur Erfassung von Drücken, Temperaturen und Lambda-Werten sowie zur Ermittlung von NO_x- und Partikelemissionen zur Verfügung. Zudem ermöglicht ein Hochdruck-Indiziersystem die thermodynamische Prozessanalyse. Weiterhin ist die Prüfstandsperipherie auch für den Betrieb der Motoren mit Sonder- und Alternativkraftstoffen, wie z.B. Biodiesel oder Fischer-Tropsch-Kraftstoffe, ausgelegt.

Zur schnellen Alterung und Aschebeladung von Abgasnachbehandlungskomponenten steht ein System zur Verfügung, das in seinen Hauptbestandteilen aus einem Universalölbrenner GUPO20 der Firma Giersch Enertech GmbH und einer Brennkammer besteht. Bei dem Ölbrenner handelt es sich um einen Gelbbrenner, der sich für Kraftstoffe mit höherer Viskosität eignet. Die Brennkammer besteht aus hochtemperaturbeständigem Edelstahl. Massendurchflussregler ermöglichen die Einstellung der Massenströme von Luft und Brennstoff zur Voreinstellung verschiedener Verbrennungsluftverhältnisse.

Das Funktionsprinzip des Mini-CAST (Jing Aerosol) beruht auf der Verbrennung von Propan (C₃H₈) in einer Diffusionsflamme und dem anschließenden Löschen mit Stickstoff, um den Partikelbildungsprozess in einem frühen Stadium einzufrieren. Durch diverse Einstellungsmöglichkeiten können die bei der Verbrennung entstehenden Partikel hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Morphologie variiert werden. Da sich die Möglichkeit ergibt, kontaminationsfreie und trockene Rußproben mit reproduzierbaren physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erzeugen, eignet sich der Aerosolgenerator ebenfalls für grundlegende Untersuchungen und zur Kalibrierung der Messtechniken.

Ziel:
Blockheizkraftwerke (BHKW) werden zur dezentralen Erzeugung von Strom und Bereitstellung von Wärme eingesetzt. Mit Erdgas betriebene BHKW haben den größten Marktanteil und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Senkung von Treibhausgas- und Schadstoffemissionen. Durch den verstärkten Einsatz von Biogas und Produkten aus Power-to-Gas Konzepten als Kraftstoff kann der Einsatz fossiler Brennstoffe weiter reduziert werden. Die Anforderungen an Großgasmotoren sind vielfältig und umfassen neben geringen Emissionen u. a. einen hohen Gesamtwirkungsgrad sowie einen hohen Nutzungsgrad durch verringerte Wartungsintervalle. Vor diesem Hintergrund soll in diesem Projekt ein neues, flexibles Zündsystem auf Basis eines Lasers entwickelt und erforscht werden, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

Grundlegende Untersuchungen haben zum einen bestätigt, dass die Laserzündung den Verbrennungsverlauf in Motoren positiv beeinflusst. Darüber hinaus sind im Gegensatz zur elektrischen Funkenzündkerze keine Elektroden notwendig, wodurch der Verschleiß stark reduziert und die Standzeit der Laserzündkerze verlängert werden kann. Die Implementierung eines flexiblen Fokussierungs- und Steuerungssystems ermöglicht Zündungen von sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen an mehreren Orten im Brennraum und zu mehreren Zeitpunkten (Multipunktzündung, Multipulszündung) in Folge. Diese Aspekte werden im Vorhaben an einem Serienmotor in Bezug auf das Verbrennungsverhalten, den Wirkungsgrad und die Abgaszusammensetzung untersucht.

Das Projektkonsortium besteht aus vier Partnern: der Universität Bayreuth, vertreten durch den Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT), dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (F-IOF), dem Nationalen Institut für Laser-, Plasma- und Strahlenphysik (INFLPR) in Rumänien und der 2G Energietechnik GmbH als Industriepartner.

Das INFLPR liefert das Design für die Komponenten der Laserzündkerze. Die Fertigung und Integration in das komplette Zündsystem erfolgt am F-IOF. Die motorischen Untersuchungen finden zunächst in den Laboren des LTTT statt. Dort wird das Verhalten der Laserzündkerze charakterisiert und für den Einsatz im motorischen Betrieb ausgelegt. Um die Gemischbildung, den Verbrennungsablauf und die Abgasemissionen zu untersuchen, werden unterschiedliche (laser-)optische Messtechniken, Druckindizierung und Abgasanalysen an optischen zugänglichen Verbrennungsaggregaten eingesetzt. An den Serienmotoren der 2G Energietechnik GmbH werden die grundlegenden Ergebnisse in einer Messkampagne schließlich in der Praxis evaluiert. Ziel ist es, zum Abschluss des Projektes einen Prototyp des neuartigen flexiblen Laserzündsystems vorzustellen, der anschließend zur Serienreife entwickelt werden kann.

Inhalt/Ziele:
Bei der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren kommen neben den Konzepten der Abmagerung und des Downsizing auch neue Brennverfahren zum Einsatz. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes ist bei Benzinmotoren inzwischen Stand der Technik. Hierdurch kann der Motor ohne größere zyklische Schwankungen stark abgemagert und seine Leistungsdichte erhöht werden. Durch die Direkteinspritzung treten allerdings höhere Rußpartikel-Emissionen auf, wodurch die Kosten und die Komplexität der Abgasnachbehandlungskomponenten steigen. Erdgas stellt im Hinblick auf die Direkteinbringung des Kraftstoffes in den Brennraum eine vielversprechende Alternative dar. Seine hohe Klopffestigkeit ermöglicht hohe Verdichtungsverhältnisse. Des Weiteren zeigen Studien, dass durch den Einsatz von Erdgas die Emissionen gesenkt werden können. Durch das niedrige C/H-Verhältnis im Vergleich zu Benzin sind zudem CO₂-Einsparungen von bis zu 25 % möglich.Im bisherigen Projekt wurde geklärt, wie sich eine Impulsketten-Laserzündung auf den Zündverlauf auswirkt. Bei diesen Untersuchungen wurde der Energieübertrag vom Laser in das Plasma, die Flammenkernbildung sowie die Flammenausbreitung betrachtet. Darauf aufbauend wurde der Einfluss von erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten und erhöhten Dichten auf den Zündverlauf nach Impulskettenzündung untersucht. Die Experimente wurden mit vorgemischten und homogenen Methan/Luft-Gemischen durchgeführt. Die Untersuchungen haben unter anderem gezeigt, dass bei der Zündung eines strömenden Methan/Luft-Gemisches in einer Brennkammer mit Hilfe einer Laserzündkerze statt einer konventionellen Funkenzündkerze die Zündgrenze zu magereren Gemischen und größeren Strömungsgeschwindigkeiten erweitert werden kann. Des Weiteren führt die Laser-Impulskettenzündung bei einem mageren Gemisch zu einer effektiveren Verbrennung im Vergleich zur Einzelimpuls-Laserzündung und zur Funkenzündung.Im Fortsetzungsvorhaben sollen die Untersuchungen von der Zündung vorgemischter Methan/Luft-Gemische erstmals auf die passiv gütegeschaltete Laserzündung von direkteingeblasenem Methan im Schichtladebetrieb erweitert werden. Die Direkteinblasung während der Kompression ermöglicht eine deutlich höhere Abmagerung ohne einen starken Anstieg der zyklischen Schwankungen. Die Impulskettenzündung mit passiv gütegeschalteten Laserzündkerzen stellt in diesem Zusammenhang ein großes Potential dar. Das Absetzen von Impulsketten neben dem Gas-Freistrahl ermöglicht eine Vergrößerung des anfänglichen Flammenkerns und kann so eine sichere Entflammung begünstigen. Die Laserzündung ermöglicht zudem, dass ein optimaler Zündort auch fernab der Brennraumwand gewählt werden kann.

Inhalt/Ziele:
Zur Einhaltung zukünftiger, strengerer Abgasnormen und durch die zunehmende Belastung, zum Beispiel in Ballungsgebieten, durch sehr hohe Emissionswerte steht die Entwicklung motorischer Brennverfahren weiterhin vor der Herausforderung den Treibstoffverbrauch, sowie die Schadstoffemissionen zu reduzieren und den Verbrennungsprozess effektiver zu gestalten. Durch die Analyse von Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen und innermotorische Verbrennungsuntersuchungen im transienten Motorbetrieb erhofft man sich neue Erkenntnisse über mögliche Verbesserungen.Hierzu sind hochrepetierenden LIF-Messsystemen (Laserinduzierte Fluoreszenz) gut geeignet. Diese sind jedoch gerade für kleine und mittelständische Unternehmen, die ihre Produkte durch die immer strengere Gesetzgebung besser auslegen müssen, meist zu teuer. Ein günstiger Preis, ein hoher Grad an Automatisierung, intuitive und vielfältige Anwendung sowie die Produzierbarkeit quantitativer Ergebnisse sind demnach wichtige Anforderungen an bestehende und neue Messsysteme dieser Art.Innerhalb des Forschungsvorhabens wird ein preisgünstiges hochrepetierendes LIF-Messsystem entwickelt, das einen neuartigen Pulslaser beinhaltet. Dieser kann mehrere aufeinanderfolgende Impulse hoher Energie und Strahlqualität emittieren, die unter anderem durch eine intelligente thermische Laststabilisierung frei triggerbar werden. Damit wird sich ein erheblicher qualitativer und quantitativer Fortschritt bei Untersuchungen von stationären und transienten Abläufen ergeben. Zur quantitativen Analyse von LIF-Bewegungsfeldern, sowie Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen und Lambdaverteilungen wird dieses Messsystem am LTTT zunächst installiert, charakterisiert und kalibriert. Anhand verschiedener optisch zugänglicher Versuchsträger, wie beispielsweise einer Brennkammer, einer schnellen Kompressionsmaschine oder einem Einzylinder-Dieselmotor werden das Lasersystem, die Ansteuerung und die Auswertesoftware im Projektverlauf parallel entwickelt und zeitgleich am LTTT im Praxiseinsatz erprobt. Mit Hilfe der Experimente am Lehrstuhl werden zudem aktuelle Fragen der Verbrennungstechnik bezüglich der Gemischbildung bei (alternativen) flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen bearbeitet. Der Einsatz der erweiterten LIEF-Methode (Laserinduzierte Exciplex Fluoreszenz) bietet zu diesen Fragestellungen zudem die Möglichkeit Gas- und Flüssigphase simultan mit nur einem Versuchsaufbau zeit- und ortsaufgelöst abzubilden und das Gemischbildungsverhalten flüssiger Kraftstoffe im transienten Betrieb zu analysieren. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich zusätzlich Rückschlüsse für weitere vielfältige Anwendungsgebiete des flexibel gestalteten LI(E)F-Messsystems ziehen.

Inhalt/Ziele:
Vor dem Hintergrund eines stetig steigenden globalen Energiebedarfs, weiter zunehmenden Emissionen klimawirksamer Spurengase sowie endlicher fossiler Energiereserven gewinnen nachwachsende Energieträger als zukunftsfähige Option vor allem auch im Verkehrsbereich an Bedeutung. Zwar sind biogene Mischkraftstoffe wie Biodiesel oder Bioethanol bereits etabliert und weltweit im Einsatz, doch soll dieses Angebot durch „maßgeschneiderte“ Kraftstoffe künftig erweitert werden. Um neue Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren effektiv einsetzen zu können, bedarf es einer möglichst umfassenden Kenntnis der einzelnen Prozesse in der motorischen Wirkkette. Hierbei spielt die Gemischbildung eine zentrale Rolle.Das Verdunstungs- und Verdampfungsverhalten der Kraftstoffkomponenten hat einen entscheidenden Einfluss auf die Gemischbildung. Abhängig von Einspritzzeitpunkt und Kraftstoffzusammensetzung beeinflussen die sich einstellenden lokalen Gemischbedingungen sowohl die Zündung als auch die Verbrennungsführung. Untersuchungen und Optimierungen der Verdampfung von Gemischkomponenten stützen sich zumeist auf Modellsimulationen, die es jedoch zu validieren gilt.Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die Zusammensetzung der Nachschleppphase von Kraftstoffeinzeltropfen und -tropfenketten sowie den Übergang der einzelnen Komponenten in die Gasphase zu analysieren. Hierfür wird ein hochauflösender Raman-Spektroskopie-Aufbau eingesetzt, welcher mit einem schnellem Triggersystem zur exakten Zeit- und Ortsauflösung erweitert ist. Zur Unterscheidung der einzelnen Komponenten werden die erzeugten Raman-Signale der CH3- und CH2-Valenzschwingungen mit einer intensitätsverstärkten Kamera aufgezeichnet und über den Kamerachip integriert.Um eine Beeinflussung durch Luftturbulenzen zu vermeiden, werden die Messungen in einer optisch zugänglichen Kammer durchgeführt. Zur Nachbildung biogener Mischkraftstoffe werden Mischungen aus Alkanen und Ethanol eingesetzt. Mittels Tropfengenerator werden Tropfen mit Durchmessern unter 100 µm erzeugt. Mit dem vorgesehenen Aufbau ist es möglich, Einflüsse intrinsischer und extrinsischer Änderungen zu untersuchen, indem z.B. Tropfentemperatur oder Tropfenabstand variiert werden. Hierdurch können Einflüsse der Temperaturgradienten zur Umgebung und der Verdampfung der Vorgängertropfen analysiert werden. Durch zeitliche Variation der Laseransteuerung lässt sich die Nachschleppphase entlang der Tropfenfallrichtung eindimensional auswerten.Die zu gewinnenden Messergebnisse können letztlich zur Validierung numerischer Modelle herangezogen werden.

Ergebnisse:
Ziel des Projektes war die Validierung eines am Lehrstuhl erweiterten Modells der kontinuierlichen Thermodynamik zur numerischen Simulation der Verdampfung mehrkomponentiger Kraftstofftropfen. Dazu wurden Untersuchungen zur Durchmesserabnahme sowie zur Änderung der Zusammensetzung von E85 (85 Vol.-% Ethanol mit 15 Vol.-% Super) durchgeführt. Die Messungen wurden im Projekt mit verschiedenen Tropfengeneratoren umgesetzt. Mittels optischer Aufnahmen, Wiegemessungen und Gaschromatographie wurden Daten über ein weites Parameterfeld an Durchmessern und Umgebungstemperaturen gewonnen. Dafür wurde zunächst die Stabilität der erzeugten Tropfen(ketten) mit Hilfe eines Schatten/Schlierenaufbaus überprüft. Im Rahmen des Projektes wurde dieser dann um eine Mikroskopoptik in Verbindung mit einer Hochgeschwindigkeitskinematographie erweitert.

Die Durchmesser- und Geschwindigkeitsbestimmung erfolgte reproduzierbar mit Hilfe eines automatisierten Auswertealgorithmus. Abbildung 1 zeigt beispielhaft einen Vergleich von verschiedenen experimentell bestimmten Daten mit der aus der Simulation berechneten Durchmesserabnahmen für E85-Tropfen. In einem Anfangsdurchmesserbereich von 40 - 60 µm konnte die notwendige Berücksichtigung einer endlichen Wärmeleitfähigkeit im diffusionsbegrenzten Modell experimentell bestätigt werden. Auch die Zusammensetzungsbestimmung mittels Gaschromatographie zeigte über die aufnehmbare Fallstrecke eine sehr gute Übereinstimmung mit der aus dem Modell vorhergesagten Abnahme des Benzinanteils der E85-Tropfen (vgl. Abbildung 2). Insgesamt wurden die numerischen Vorhersagen mit der entwickelten experimentellen Messtechnik sehr gut validiert.

Abb. 1: Vergleich der experimentell bestimmten und berechneten Durchmesserabnahmen von E85-Tropfen

Abb. 2. Vergleich der berechneten und gemessenen Änderung des Benzinanteils von E85-Tropfen über die Fallzeit

Ergebnisse:
In diesem Projekt wurde eine einfache Methode zur Bestimmung der Geschwindigkeitsfelder bei der Sprayausbreitung weiterentwickelt und auf die Flammenausbreitung übertragen. Diese Methode basiert auf der Analyse des optischen Flusses und wurde bereits in einem BFS Vorgängerprojekt (AZ 796-07) erprobt. Bei einer Spraybeleuchtung in Verbindung mit einer High-Speed-Kamera lassen sich die Geschwindigkeitsfelder während des gesamten Einspritzvorgangs und der beginnenden Verbrennung mit nur einer einzigen Messung bestimmen. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn bei dynamischen Strömungen wie der Spray- oder turbulenten Flammenausbreitung zyklische Schwankungen zu identifizieren sind. Bei dem Prinzip der sogenannten „Optical Flow Methode“ (OFM) werden sich bewegende Helligkeitsmuster analysiert. Daher ist die Detektion einzelner Partikel nicht nötig, wodurch die Methode ein Potential für die Analyse dichter Sprays und Flammen aufweist.

Um die OFM durch methodische Weiterentwicklung zu einem optimalen Auswerteverfahren zu überführen und deren Praktikabilität zu testen, wurde sie im ersten Abschnitt dieses Projektes mit dem Standardmessverfahren Particle Image Velocimetry (PIV) qualitativ und quantitativ erfolgreich validiert. Dazu wurde die OFM zunächst auf Lichtschnitt- und Schatten-Highspeed-Aufnahmen eines BDI-Sprays angewandt und mit einer simultan durchgeführten PIV-Messung verglichen (Abbildung 1). Am Beispiel des turbulenten Geschwindigkeitsfeldes der Spraystrukturen konnte demonstriert werden, dass sich große Bildsequenzen mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung und mit nur einer einzigen Messung analysieren lassen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen aus der Sprayanalyse konnte die OFM anschließend auf die Analyse der Flammenausbreitung bei magerer Verbrennung angewandt werden. Hierfür wurde ein strahlgeführtes Brennverfahren der ottomotorischen Verbrennung gewählt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Kombination der Spray- und Flammenanalyse mit OFM möglich ist (Abbildung 2), experimentell allerdings eine gute Abstimmung von Lichtquellenstärke, Kameraeinstellungen und Objektivwahl auf die Spraydichte und die Intensität des Flammenleuchtens voraussetzt. Um die bei der Strömungsfeldanalyse oft auftretende Beobachtungslücke zwischen Zündung und sichtbarem Flammenleuchten zu schließen, wurde die OFM über das eigentliche Projektziel hinaus auf hochaufgelöste OFM-Schlieren-Kombinationen angewandt.

Ergebnisse:
Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung der Einflussmöglichkeiten einer Mehrfachzündung zündfähiger Gasgemische auf den Brennverlauf. Die Laserzündung gasförmiger Kraftstoff/Luft-Gemische wurde in einer optisch zugänglichen Brennkammer mittels Schlierenaufnahmen und Druckverlaufsanalyse untersucht. Die Laserzündung wurde anhand des nicht-resonanten Durchbruchs mit einem gütegeschalteten, frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser durch Pulse im Nanosekundenbereich bei einer Wellenlänge von 532 nm erreicht. Die Zündung erfolgte gleichzeitig an getrennten Orten. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Brennverlauf durch Mehrfachzündungen positiv beeinflusst werden kann. Eine Verkürzung der Abbranddauer stellt eine vollständige Verbrennung während des Arbeitstaktes auch bei sehr mageren Gemischen sicher. Die Druckkurve einer Zweifachzündung mit ihrem steileren Druckanstieg und einem höheren Druckmaximum entspricht der Druckkurve einer Einfachzündung bei einem fetteren Gemisch. Bei der Verbrennung von Wasserstoff ergibt sich im Vergleich zu Methan ein höheres Druckmaximum zu einem früheren Zeitpunkt. Dies resultiert in einer kürzeren Brenndauer und einer höheren Verbrennungstemperatur. Beide Gemische zeigen die gleichen Tendenzen. Die Brenndauer nimmt zu mageren Gemischen hinzu. Dabei nimmt das Druckmaximum ab und findet zu einem späteren Zeitpunkt statt. Dies führt zu geringeren Verbrennungstemperaturen und einer niedrigeren Wärmefreisetzung. Das Maximum der Wärmefreisetzungsrate wird zum Zeitpunkt des steilsten Druckgradienten erreicht. Zu mageren Gemischen hin fällt auch dieses Maximum ab und die Halbwertsbreite nimmt zu. Mögliche zukünftige Arbeiten könnten sich mit der Untersuchung der Einsetzbarkeit der Laserzündung bei innerer Gemischbildung, also inhomogenen Gemischzuständen, beschäftigen. Dabei läge in diesem Fall der Fokus auf einer zur Laserzündung simultanen Bestimmung der Luftzahl über zusätzliche optische Messtechniken um Aussagen über Zuverlässigkeit und Zündaussetzer dieser Zündmethode treffen zu können. Des Weiteren ist eine Ausweitung der Untersuchungen auf reale Brennstoffe, wie Erdgase verschiedener Zusammensetzungen oder auch Biogas denkbar. Da es sich im Speziellen bei Gasen aus Biomassevergärung um Brennstoffe mit niedrigem Methananteil und dementsprechend niedrigem Brennwert handelt, wären hier neue Untersuchungen zum Zündbereich und der Entflammbarkeit durch Laserpulse nötig. Zusätzlich zur bereits erfolgten Variation der räumlichen Fokuslage bei der Zweifachzündung wäre auch eine zeitliche Variation der beiden Laserpulse interessant.