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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Motorische Verbrennung
Die zum Teil kontroversen Forderungen in der Motorenentwicklung nach besseren Fahrleistungen bei niedrigerem Kraftstoffverbrauch unter Einhaltung sehr niedriger Emissionsgrenzwerte erfordert die Erforschung grundlegender Zusammenhänge des motorischen Verbrennungsprozesses. Von großer Bedeutung hierbei sind die Wechselwirkungen von chemischen Reaktionen mit Impuls-, Wärme- und Stofftransport in der instationären Strömung.

Eine wichtige Zielsetzung zur besseren Energienutzung und Reduktion des Schädigungspotentials des Verkehrs ist es daher die Kenntnisse der Grundlagen auf dem Gebiet der motorischen Verbrennung zu erweitern und damit Verbesserungen der Verbrennungsprozesse zu ermöglichen.

 

Methanmotoren für Personenkraftwagen
(MetCar)
Heutige Erdgasmotoren für PKW basieren auf Benzinmotoren und sind nicht konsequent für die Methanverbrennung optimiert. Mit seiner hohen Klopffestigkeit bietet bereits Erdgas gegenüber Benzin ein signifikantes Effizienzsteigerungspotenzial. Dies kann durch EE-C-Methan mit hohen Methangehalten und einer damit einhergehenden höheren Klopfresistenz (höhere Methanzahl) noch erhöht werden, da wirkungsgradsteigernde hohe Kompressionsverhältnisse bei gleichzeitig sehr hohen Aufladegraden ermöglicht werden.
Um die hohen Wirkungsgrade bei gleichbleibendem Fahr- und Verschleißverhalten zu ermöglichen, sind bei der Entwicklung eines optimierten Motors zahlreiche Teilaspekte wichtig, die umfassend im Projekt bearbeitet werden. Hierzu gehören insbesondere motortechnische Anpassungen der Spitzendruckfähigkeit, die Ladedruckerhöhung zur Vermeidung von Füllungsverlusten mit Hilfe von neuartigen Injektoren zur Gasdirekteinblasung (Methan DI) und Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, sowie ein vollvariabler Ventiltrieb. Neben den motortechnischen Entwicklungen ist auch der Einfluss der Gasbeschaffenheit von Methan, insbesondere EE-C-Methan, als Kraftstoff ein wichtiger Baustein für die Markteinführung. Hierzu wird der Einfluss der zu erwartenden Hauptkomponenten (CH4, H2) und von Spurenstoffen (schwefelhaltige Odoriermittel, Kompressorenöle) auf Komponentenverschleiß und Katalysatorwirksamkeit anhand von Teststandsversuchen untersucht.
Der dritte innovative Baustein stellen grundlegende Untersuchungen zur Vermeidung von Partikelemissionen an Methanmotoren dar. Hierbei stehen sehr kleine Partikel im Fokus.
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Bildung von Rußpartikeln und katalytische Filterregeneration bei der motorischen Nutzung von Ottokraftstoffen aus Biomasse
(BIOTTO)
Zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes ist der Einsatz von Biokraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen unverzichtbar. Deren Einsatz kann jedoch zu erhöhten Rußpartikelemissionen führen. Die gegenwärtige Forschung im Rahmen der Nachwuchsgruppe BiOtto untersucht diesen Sachverhalt mit dem Ziel festzustellen ob und unter welchen Bedingungen die Beimischung Biokraftstoffen in direkt einspritzenden Ottomotoren eine erhöhte Emission von Rußpartikeln bewirkt. Daher wird die Rußbildung und Rußoxidation für Kraftstoffe mit variablen biogenen Anteilen detailliert untersucht.

Das BiOtto Projekt "Bildung von Rußpartikeln und katalytische Filterregeneration bei der motorischen Nutzung von Ottokraftstoffen aus Biomasse" (Nachwuchsgruppe „BiOtto“, FKZ: 22026711, 22041011, 22040811, 22041111) wird vom  Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), gefördert. Forschungspartner des Teilinstituts für Verbrennungstechnik am Engler-Bunte-Institut (EBI - vbt) im Rahmen von BiOtto sind der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT - Univ. Erlangen Nürnberg), der Lehrstuhl für Numerische Thermofluiddynamik (NTFD - TU Bergakademie Freiberg) und der Lehrstuhl für Reaktionstechnik (RT - TU Bergakademie Freiberg).

Für eine grundlegende Charakterisierung und zur Modellbildung und Validierung wird am EBI-vbt die Partikelbildung für variierte Biokraftstoffanteile in laminaren Flammen untersucht.

 
    
Laminar Premixed Model Flames         Laminar Diffusion and Partially Premixed Model Flames
Die Modelle werden im Rahmen detailierter numerischer Simulationen (NTFD) der Rußbildung und Oxidation sowie der Verbrennung im Motor, angewandt.  Meßdaten werden mit optischen Methoden in einem teilweise transparenten direkteinspritzenden Ottomotor aufgenommen werden (LTT).

Die Simulationsergebnisse und experimentellen Daten sind wiederum wichtige Randbedingungen für die wissensbasierte Entwicklung eines hocheffizienten Katalysators für die schnelle Oxidation des ottomotorischen Rußes im Partikelfilter. Hierbei handelt es sich um ein integriertes Modul aus Partikelfilter und Drei-Wege-Katalysator (RT). Durch die interdisziplinäre Struktur des Vorhabens wird schließlich das Komplettsystem Motor-Katalysator-Filter für biogene Kraftstoffe optimiert.


Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt C4: Rußbildung in DI-Motoren
(SFB_606_-_C4)
Motoren mit Direkteinspritzung ist prinzipimmanent, daß in unmittelbarer Umgebung des Einspritzstrahles eine brennstoffreiche Verbrennung stattfindet, die mit der Bildung von Ruß einhergeht. Obwohl im Laufe der Zeit die von (DI-) Dieselmotoren emittierten Rußmengen entsprechend den zunehmend restriktiveren Abgasnormen stetig abgenommen haben und künftig weiter abnehmen werden, resultiert hieraus möglicherweise ein höheres physiologisches Gefährdungspotential. Verantwortlich hierfür könnte die mit abnehmender Rußemission möglicherweise einhergehende Zunahme der Anzahl kleinster, lungengängiger Rußpartikel im Motorenabgas sein. Da im Hinblick auf die Einhaltung künftiger Abgasnormen dem Rußemissionsverhalten bei Lastwechseln besondere Bedeutung zukommt, soll neben der Untersuchung des stationären Betriebs in einem Einhubtriebwerk im Anschluß daran gezielt der Einfluß bei instationären Lastwechseln auf die Rußbildung und –emission in einem Einzylinder- Forschungsmotor untersucht werden. Insbesondere die Lösung der letztgenannten Aufgabenstellung ist mit klassischen, i. a. auf gravimetrischen oder auf Ermittlung der Schwärzungszahlen basierenden Verfahren zur Bestimmung der emittierten Rußmenge aufgrund der fehlenden zeitlichen Auflösung dieser Verfahren nicht oder nur schwer möglich. Aus diesem Grund wird in diesem Teilprojekt zur Ermittlung der Rußvolumenbrüche, der Teilchenzahldichten und der mittleren Teilchenradien die RAYLIX- Meßtechnik eingesetzt, die auf der simultanen Detektion der Rayleigh- Streuung, der Laserinduzierten Inkandeszenz (LII) in Verbindung mit der Ermittlung der integralen Extinktion basiert.

Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt A3: Selbstzündprozesse bei instationären Freistrahlen
(SFB_606_-_A3)

Die Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen wird von der Niedertemperaturoxidationskinetik dominiert, bei der im Gegensatz zu den Hochtemperaturmechanismen (bei denen die Kettenverzweigung über Reaktionen im H2-O2-System abläuft) brennstoffspezifische Reaktionen (z.B. über Peroxi-und Alkoxiverbindungen) den Zündprozess kontrollieren. Bei der Verbrennung in Verbrennungsmotoren erschwert neben der komplexen chemischen Kinetik auch deren Kopplung mit der instationären, meist turbulenten Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel die detaillierte Beschreibung der Zündung. Diese Sachlage führt dazu, dass die detaillierten physikalisch-chemischen Prozesse bei der Selbstzündung von Freistrahlen auch heute noch nicht befriedigend verstanden sind.

Ziel des Teilprojekts ist daher ein besseres Verständnis der komplexen Prozesse bei der Zündung von turbulenten Freistrahlen durch experimentelle Untersuchung und mathematische Modellierung. Insbesondere soll geklärt werden, unter welchen Bedingungen Zündung erfolgt (in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Strömungsfeld), welche Einflussparameter die Zündverzugszeit kontrollieren und wie die instationäre Zündung/Verbrennung in einem turbulenten Strömungsfeld abläuft. Aus den experimentellen Untersuchungen sollen Modelle entwickelt werden, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Die Schwierigkeiten bei diesem Teilprojekt liegen darin, dass die Zündung sowohl von der Mischung, der Turbulenz und auch von der Kinetik kontrolliert wird und daher hohe Anforderungen an die verwendeten Submodelle für Mischung, Turbulenz und chemische Reaktion und deren Kopplung vorliegen. Zur Klärung der komplexen Vorgänge im instationären reaktiven Freistrahl wird der Gesamtvorgang in drei Stufen untersucht:
a) inerte Phase mit turbulentem Mischungsprozess (FZK),
b) Zündvorgang (ITV)
c) reaktive Phase mit Verbrennung (ICT).

Für die experimentellen Untersuchungen zur inerten und reaktiven Phase (Schritte a) und c)) sollen zwei weitgehend identische Apparaturen aufgebaut werden, bei denen durch eine Düse zeitlich kontrolliert ein Strahl aus Inertgas bzw. Brennstoff in ein vorgeheiztes Oxidationsmittel eingedüst wird. Hierbei werden Turbulenz, Form und Geschwindigkeit des Brennstoffstrahls variiert. Zur Untersuchung der inerten Phase wird die räumliche Mischungsbruchverteilung (mit LIF bei NO-Tracerung), das momentane Strömungsfeld (mit PIV) sowie die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen (mit LDA) untersucht. Ein Ziel ist auch die Messung instationärer Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen (PDF's) des Mischungsanteils. Für die Untersuchung der reaktiven Phase wird LIF eingesetzt, wobei neben OH auch insbesondere Alkoxi-Radikale erfasst werden sollen. Längerfristig werden in diesem Teil des Vorhabens auch aromatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt. In Schritt b) wird aus den experimentellen Ergebnissen mit Modellen für die Zündverzugszeit abgeschätzt, wo die Zündung des Freistrahls einsetzt. Schließlich werden Modellierungsansätze entwickelt, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Hierbei werden Transportgleichungen für die zeitliche Evolution der gebundenen PDF's von Geschwindigkeit und Skalaren verwendet.