Teilprojekt C01 Böhm

Teilprojekt C01 Böhm

Experimentelle Charakterisierung innermotorischer wandnaher Strömungs- und Verbrennungsprozesse

Motivation

Flamme-Wand-Interaktionen sind ein wichtiger Bestandteil von technisch relevanten, eingeschlossenen Verbrennungssystemen, wie dem Verbrennungsmotor. Wärmeverluste über die begrenzenden Bauteile beeinflussen wesentlich den Wirkungsgrad als auch den Schadstoffausstoß. Die verursachten thermischen Beanspruchungen der Bauteile müssen für einen sicheren Betrieb zudem begrenzt werden, was ein zuverlässiges Thermomanagement erfordert. Der aktuelle Trend zu kleineren Hubräumen bei gleichzeitiger Erhöhung der Energiedichte führt zudem zu einer Erhöhung des Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses wodurch die Phänomene in Wandnähe weiter an Bedeutung gewinnen.

Ziele

Während Messungen der Kernströmung im Zylinder in Motoren weitverbreitet sind, gibt es nur wenige Untersuchungen in Wandnähe. In diesem Teilprojekt soll die Flamme-Wand-Interaktion im Zylinder eines Ottomotors, wie sie schematisch in Abbildung 1 dargestellt ist, experimentell erfasst werden. Dies beinhaltet die wandnahen Strömungs- und Verbrennungsprozesse sowie deren Interaktion mit der Kernströmung im Zylinder. Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der physikalischen Prozesse abzuleiten und die Messdaten für die Modellvalidierung in den mathematisch/numerischen Teilprojekten dieser Initiative nutzbar zu machen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der verschiedenen Phasen der Flamme-Wand-Interaktion bei der innermotorischen Verbrennung. Links: Senkrechtes Auftreffen der Flamme auf eine Wand („Head-on Quenching”). Mitte: Flammenpropagation entlang einer Wand ( “Sidewall Quenching”). Rechts: Die Flamme erreicht einen Spalt und verlischt wenn dieser zu schmal ist.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der verschiedenen Phasen der Flamme-Wand-Interaktion bei der innermotorischen Verbrennung. Links: Senkrechtes Auftreffen der Flamme auf eine Wand („Head-on Quenching”). Mitte: Flammenpropagation entlang einer Wand ( “Sidewall Quenching”). Rechts: Die Flamme erreicht einen Spalt und verlischt wenn dieser zu schmal ist.

Methoden

Experimenteller Aufbau

Die Experimente werden an einem strahlgeführten direkteinspritzenden Ottomotor mit zentraler Injektorlage durchgeführt, der durch ein Fenster im Kolben sowie durch einen Quarzglaszylinder optisch zugänglich ist. Der Motor inklusive der erforderlichen Infrastruktur wurde mit besonderem Augenmerk auf die Modellvalidierung ausgelegt. Dies beinhaltet eine möglichst einfache Geometrie, umfänglich charakterisierte Randbedingungen und einen äußerst reproduzierbaren Betrieb. Die Einlassluft kann hinsichtlich Temperatur und Druck konditioniert werden. Zusätzlich ist eine Gasmischanlage vorhanden, um eine externe Abgasrückführung darzustellen. Der Prüfstand ist mit einer Vielzahl von Temperatur- und Druckmessstellen ausgestattet, um die Randbedingungen zu kontrollieren und zu regeln. Eine Druckindizierung ist für hochaufgelöste Zylinderinnendruckmessungen vorhanden. Alle diese Messgrößen werden bei jedem Experiment mitgeschrieben. Die Charakterisierung der innermotorischen Prozesse beginnt mit einem geschleppten Motorbetrieb ohne Kraftstoffeinbringung. Darauf aufbauend wird die Wärmefreisetzung in perfekt homogenen Gemischen oder die Gemischbildung bei der Direkteinspritzung gekoppelt mit der Wärmefreisetzung untersucht. Zur Zylinderinnenströmung existiert bereits ein umfassender Datensatz der im Rahmen des „Darmstadt Engine Workshops“ von einer Reihe von Gruppen weltweit zur Modellvalidierung verwendet wird. Dieser Datensatz wird sukzessive um die Verbrennung und Gemischbildung ausgebaut.

Abbildung 2: Links: Flammenvisualisierung anhand verdampfender Öl Tröpfchen. Bereits kurz nach der Zündung ist das Auftreffen der Flamme auf dem Kolben zu beobachten. Rechts: Phasengemitteltes Strömungsfeld während der Einlassphase bei 270° vZOT aufgenommen mit PIV.
Abbildung 2: Links: Flammenvisualisierung anhand verdampfender Öl Tröpfchen. Bereits kurz nach der Zündung ist das Auftreffen der Flamme auf dem Kolben zu beobachten. Rechts: Phasengemitteltes Strömungsfeld während der Einlassphase bei 270° vZOT aufgenommen mit PIV.

Diagnostik

Aufbauend auf den bereits existierenden Validierungsdatensätzen zur Zylinderinnenströmung und der frühen Phase der Flammenausbreitung werden die Untersuchungen schrittweise auf die relevanten Details in Wandnähe fokussiert. Zur Charakterisierung des Strömungsfeldes wird die Particle Image Velocimetry (PIV), Particle Tracking Velocimetry (PTV) und Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) verwendet. Flammenfronten werden anhand der Planaren Laserinduzierten Fluoreszenz (PLIF) von OH detektiert und Wandtemperaturen mittels Thermographischer Phosphore (TGP) gemessen. Die simultane Anwendung verschiedener Kombinationen der genannten Messtechniken ermöglicht die Erfassung von Interaktionen relevanter Parameter, wie die Kopplung der Zylinderinnenströmung mit der Grenzschicht, die Wechselwirkung der Flamme mit der Grenzschicht oder der Wand. Die Daten werden statistisch ausgewertet, um Aussagen über die Entwicklung der Wandgrenzschicht über den Motorzyklus, deren Interaktion mit der Verbrennung und der Flamme-Wand-Interaktion abzuleiten und diese für die Validierung zur Verfügung zu stellen.