Combustion

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.

Content/Objectives:

Cogeneration units are used for the decentralized generation of electricity and the supplying of heat. Cogeneration units operated with natural gas have the largest market share and have a significant contribution to the reduction of greenhouse gas and pollutant emissions. Due to the increased use of biogas and products from power-to-gas concepts, the use of fossil fuels can be further reduced. The requirements for large gas engines are diverse and include low emissions, a high overall efficiency as well as a high degree of utilization due to reduced maintenance intervals. Against this background, a novel, flexible ignition system based on a laser is to be developed and studied in this project in order to meet these requirements.

Fundamental studies have confirmed, on the one hand, that laser ignition has a positive effect on the combustion process in engines. Additionally, no electrodes are required in contrast to electrical spark plugs, which greatly reduces abrasion and extends the service life of the laser spark plug. The implementation of a system for flexible focusing and controlling enables the ignition of very lean fuel-air mixtures at several spots inside the combustion chamber and at several timings (multi-point ignition, multi-pulse ignition). Within the project, these aspects are studied at a serial engine regarding the combustion behavior, the engine efficiency and the exhaust gas composition.

The project consortium consists of four partners: the University of Bayreuth, represented by the Department of Engineering Thermodynamics and Transport Processes (LTTT), the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering (F-IOF), the National Institute for Laser, Plasma & Radiation Physics (INFLPR) in Romania and 2G Energietechnik GmbH as industrial partner.

The INFLPR provides the design for the components of the laser spark plug. The production and integration into the ignition system is implemented by the F-IOF. The engine studies are initially carried out in the laboratories of the LTTT. There, the behavior of the laser spark plug is characterized and adjusted for the operation in an engine. In order to investigate the mixture formation, the combustion process and the exhaust emissions, different (laser) optical measurement techniques, pressure trace analysis and exhaust gas analysis are used at optically accessible combustion units. Finally, the basic results are evaluated in practice in a measurement campaign at the serial engines of 2G Energietechnik GmbH.

The aim of the project is to present a prototype of the innovative, flexible laser ignition system that can be developed for serial production in the future.

Inhalt/Ziele:
Die Weiterentwicklung der Abgasnachbehandlungskomponenten für Kraftfahrzeuge ist ein entscheidender Bestandteil der Forschung zur Einhaltung zukünftiger Abgasnormen. Bei der dieselmotorischen Verbrennung stehen besonders die Emissionen von Stickoxiden (NOx) und Partikeln im Blickpunkt. Durch innermotorische Maßnahmen allein lassen sich die Abgasnormen nicht einhalten, weshalb eine zusätzliche Abgasnachbehandlung unumgänglich ist. Zur Abscheidung von Feinstaub aus dem Abgas haben sich Dieselpartikelfilter (DPF) als die zuverlässigste Variante erwiesen. Im Falle von Wandstromfiltern lagern sich Partikel in den porösen Wänden und an den Innenseiten der wabenförmigen Einlasskanäle an. Mit zunehmender Beladung erhöht sich der Abgasgegendruck, was sich negativ auf die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Daher ist es notwendig, den Filter nach Überschreiten einer gewissen Beladungsmenge zu regenerieren. Nicht-oxidierbare Bestandteile bleiben dabei als Asche im Partikelfilter und beeinflussen die Filterlebensdauer damit erheblich.In diesem Projekt werden die Einflüsse von unterschiedlichen Betriebsgrößen (z.B. Drücke, Temperaturen und unterschiedliche motorische Betriebsparameter) auf das Einlagerungsverhalten der Partikel im Filter untersucht. Dabei soll vor allem die Ruß- und Ascheverteilung im Filter, die Rußstruktur, die anorganischen Bestandteile und die Reaktivität analysiert werden. Die Ergebnisse tragen entscheidend dazu bei, die Entwicklung von Partikelfiltern mit optimierter Regenerationsstrategie und niedrigen Abgasgegendrücken voranzutreiben. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen von Personenkraftwagen vermindert werden können. Zudem bietet die Weiterentwicklung ein hohes Potential, um durch eine verlängerte Filterlebensdauer bei gleichzeitig erhöhter Effektivität in Zukunft Kosten und Material von Abgasnachbehandlungskomponenten einzusparen.Zum Erreichen dieser Ziele wird zunächst das Anströmverhalten vor dem Partikelfilter mittels Particle Image Velocimetry (PIV) am Motorprüfstand untersucht. Mit den Ergebnissen lassen sich erste Erkenntnisse zum Beladungs- und Regenerationsverhalten unter verschiedenen Randbedingungen gewinnen. Zudem werden in Langzeitversuchen Partikelfilter unter ausgewählten Betriebsbedingungen beladen. Mit einem Schnellveraschungssystem werden zudem real veraschte DPFs untersucht und dabei zeit- und kostenintensive Beladungsvorgänge am Prüfstand verkürzt. Die eingelagerte Ruß-/Aschemenge wird anschließend mit einer Vielzahl analytischer Messmethoden charakterisiert. Damit werden die Einflüsse unterschiedlicher motorischer Betriebsparameter auf das Partikel-Einlagerungsverhalten und die Ruß- und Aschecharakteristik quantifiziert. In weiteren Untersuchungen an einem Mini-CAST Rußgenerator wird die Vergleichbarkeit mit der realen Beladungsprozedur am Motorprüfstand geprüft.

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.

Content/Objectives:
Against the background of a steadily increasing global energy demand, further increasing emissions of climate-relevant greenhouse gases and finite fossil energy reserves, renewable energy sources are gaining importance as a sustainable option, especially in the transport sector. Although biogenic mixed fuels such as biodiesel or bioethanol are already established and in use worldwide, this range is to be extended in the future with "tailor-made" fuels. In order to be able to apply new fuels effectively in combustion engines, it is necessary to have the most comprehensive knowledge possible of the individual processes in the engine's operating chain. The evaporation and vaporization behaviour of the fuel components has a decisive influence on the mixture formation. Depending on the injection timing and fuel composition, the local mixture conditions that arise influence both ignition and combustion control. Investigations and optimizations of the evaporation of mixture components are mostly based on model simulations, which however have to be validated. The aim of the present project is to analyse the composition of the wake of individual fuel droplets and droplet chains as well as the transition of the individual components into the gas phase. For this purpose, a high-resolution Raman spectroscopy setup is applied, which is extended with a fast trigger system for exact time and spatial resolution. To differentiate the individual components, the generated Raman signals of the CH₃ and CH₂ stretching vibrations are recorded with an intensified camera and integrated on the camera chip. To simulate biogenic mixed fuels, mixtures of alkanes and ethanol are used. Using a droplet generator, droplets with diameters below 100 µm are generated. With the intended setup it is possible to investigate the influences of intrinsic and extrinsic changes by varying e.g. droplet temperature or droplet distance. In this way, influences of temperature gradients with respect to the environment and the evaporation of the preceding droplets can be analysed. By varying the laser control over time, the wake along the droplet fall direction can be evaluated one-dimensionally and the measurement results obtained can be used to evaluate numerical simulations.

Ergebnisse:
Im Rahmen dieses Projektes wurden Untersuchungen zur Reaktivität verschiedener Ruße durchgeführt. 
Hierfür wurde der Einfluss verschiedener biogener Kraftstoffe bei unterschiedlichen Einspritz- und Ladeluftdrücken auf einzelne Teilprozesse der motorischen Wirkkette an einem optisch-zugänglichen Einzylinder-Dieselmotor betrachtet. Zudem wurde der Einfluss der unterschiedlichen Kraftstoffe und Motorparameter auf die Partikelgrößenklassenverteilung und -masse an einem Serienmotor untersucht.

Die erzeugten Rußproben vom Serienmotor wurden außerdem mit Hilfe der Temperatur-Programmierten-Oxidation und der Thermogravimetrischen Analyse untersucht. Diese ergeben eine höhere Reaktivität für die biogenen Kraftstoffe sowie für höhere Einspritz- und Ladeluftdrücke. 
Die Raman-Analysen dieser verschiedenen reaktiven Ruße lassen sehr ähnliche Mikrostrukturen erkennen. Ruß in DPF-Segmenten zeigt nach Teilregeneration keine Graphitisierung, sondern eine konstante strukturelle Ordnung (Raman-Analyse). 
Mit Hilfe isothermer Regenerationsexperimente konnte die Reaktivität der verschiedenen Ruße verglichen und deren Kinetikdaten bestimmt werden. So war es möglich mit einem Simulationsmodell den Rußabbrand nachzubilden. Außerdem wurden Diffusionskoeffizienten von Dieselpartikelfilterwand und Rußschicht bestimmt. 
Ferner sollte ein numerisches Rechenmodell entwickelt werden, mit dessen Hilfe der instationäre Vorgang einer diffusiven, mehrkomponentigen und reaktiven Gasbewegung innerhalb der Rußschicht simuliert werden kann.

Aufbau am Motorprüfstand

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.