Experimentelle und numerische Untersuchungen zur oberflächeninduzierten Vorentflammung im Ottomotor

  • Experimental and numerical investigations on surface induced pre-ignition in spark-ignition engines

Budak, Oguz; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit untersucht das Phänomen der oberflächeninduzierten Vorentflammung mit Hinblick auf den Einfluss unterschiedlicher Kohlenwasserstoff-Luftgemische. Die Auswahl der untersuchten Kraftstoffe umfasst Mischungen aus normgerechtem Marktkraftstoff mit einzelnen Kohlenwasserstoffen, wie sie typischerweise in Ottokraftstoffen aufzufinden sind, aber auch Biokraftstoffe für potenzielle zukünftige Anwendungen im Ottomotor. Mit dieser Auswahl und weiteren Kraftstoffen (insgesamt 37) wurden sowohl experimentelle, als auch numerische Untersuchungen vorgenommen. Im experimentellen Teil wurde ein Einzylinderforschungsmotor mit einem Glühstift ausgestattet, mit dessen regelbarer Temperatur ein reproduzierbarer Hot-Spot im Brennraum zur Einleitung von oberflächeninduzierten Vorentflammungen aufgesetzt wurde. Anhand dieser Experimente lässt sich ableiten, dass eine Zugabe von Isohexan, n-Hexen, n-Heptan oder Cyclohexan die Vorentflammungsresistenz eines Kraftstoffes herabsenkt. Die Beimischmengen dieser Kohlenwasserstoffe liegen dabei zwischen 15 und 21 %-vol. zum Grundkraftstoff. Besonders der Einfluss von n-Heptan schlägt sich bereits bei kleineren Anteilen von 3 bis 5 %-vol. in einer verringerten kritischen Glühstifttemperatur nieder, oberhalb welcher eine Häufigkeit vorentflammender Zyklen von 2 % zu beobachten ist. Eine Beimischung von Toluol und ETBE führt im Rahmen der untersuchten Mischungen zwar nicht zu einer Erhöhung oder Absenkung der Vorentflammungsresistenz des Grundkraftstoffes, bewirkt aber eine Erhaltung der Vorentflammungsresistenz des Kraftstoffgemisches auch bei signifikantem Anstieg des Anteils an n-Heptan. Methanol und Ethanol verhalten sich bei geringen Zumischanteilen hinsichtlich der Vorentflammungsresistenz der Kraftstoffmischung nahezu neutral. Dabei wurde jeweils Methanol mit einem Anteil von 7 %-vol. und Ethanol mit 10 %-vol. beigemischt. Erst bei höheren Zumischanteilen dieser Alkohole senkt sich die Vorentflammungsresistenz des Mischkraftstoffes ab. Weiterhin wurde mit Hilfe numerischer Untersuchungen folgende Abhängigkeit zwischen der Reaktionskinetik und der oberflächeninduzierten Vorentflammungsneigung der vorliegenden Biokraftstoffe nachgewiesen: Keiner der Biokraftstoffe besitzt NTC-Verhalten. In diesem Fall gilt, dass eine signifikante chemische Wärmefreisetzung erst unmittelbar im Zuge der Selbstzündung auftritt. Diese wiederum ist nahezu exponentiell von der Temperatur abhängig, weshalb eine Glühzündung erst bei hohen Temperaturen zu verzeichnen ist, wo die Zündverzugszeit des Gases auf Werte der motorischen Zeitskala von wenigen Millisekunden abfällt. Auf Grund dieses Sachverhaltes korreliert die kritische Glühstifttemperatur der betrachteten Biokraftstoffe mit Gastemperaturen im Hochtemperaturbereich der Reaktionskinetik. Die kritische Glühstifttemperatur bei 5 % Vorentflammungshäufigkeit und die Gastemperatur bei einer Zündverzugszeit von 0.1 ms korrelieren in einer linearen Regression mit einem Bestimmtheitsmaß R$^{2}$ von ca. 96 %.

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