Der zündende Funke

Autor: Thomas Lauer, Technische Universität Wien, Österreich

In Motoren mit geringer Schadstoffemission und hoher Kraftstoffeffizienz ist ein stabiles Zündungsverhalten kritisch für magere Kraftstoffgemische bzw. Gemische mit hoher Restgaskonzentration. Obwohl die Rück- führung inerter Abgase und deren Mischung mit Frischluft eine wirkungsvolle Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei Ottomotoren darstellt, verringert das rückgeführte inerte Gas in diesem Falle die Zündstabilität des Gemisches. Demzufolge wird eine optimale Steuerung der turbulenten Zylinderinnenströmung und der Gemischaufbereitung im Brennraum angestrebt, um hohe Restgasrückführungsraten und eine optimale Kraftstoffeinsparung erzielen zu können.

Mit der numerischen Simulation des Brennraumes in Star-CD können das Strömungsfeld, sein Verhalten in Bezug auf das eingedüste Kraftstoffgemisch und die Verteilung der turbulenten Strömungsgrößen für jeden gewünschten Zeitpunkt während des Verbrennungsprozesses berechnet werden. Das turbulente Strömungsfeld wurde für große Reynolds-Zahlen modelliert. Für die Modellierung der Kraftstoffein- spritzung kam ein Lagrange-Verfahren zum Einsatz. Im Expertensystem es-ice erzeugte, bewegte Rechengitter berücksichtigen die jeweilige Ventil- und Kolbenstellung. Die detaillierte Modellierung der Zündkerzengeometrie führt zu genauen Aussagen hinsichtlich des lokalen Strömungsfeldes, aus denen hervorgeht, welche Zündbedingungen vorliegen.

Bildlich dargestellt ist eine Momentaufnahme der Strömungssimulation im Zylinder. Das Strömungsfeld während des Ansaugtakts, die Kraftstoff- und die Restgasverteilung sowie die Verteilung der turbulenten kinetischen Energie im Verbrennungsraum sind sichtbar. Wird die Restgasrückführungsrate erhöht, stellt man auf dem Motorenprüfstand einen zunehmend instabilen Betrieb fest, der zu hohen zyklischen Schwankungen und schließlich zu Fehlzündungen führt. Um die Zündgrenze für das Gemisch sowie die maximal zulässige Restgasrückführungsrate vorhersagen zu können, benötigt man eine Methode zur Interpretation der Gemischeigenschaften aus Star-CD, um die Prüfstandbeobachtungen bestätigen zu können.

Turbulente Strömungen enthalten Wirbel (engl. eddies), die einen entscheidenden Einfluss auf die Flammenausbreitung und das Erlöschen der Flamme haben. Eddies, die größer als die Flammenfront sind, neigen zur Faltenbildung und Oberflächenausdehnung, während kleinere Eddies, deren Größe in etwa der Größe der Flammenfront entspricht, im Gegensatz dazu den Reaktionsbereich durchdringen und dabei die Reaktionszone verzerren und die Diffusivität erhöhen.

Die Damköhler-Zahl, ein dimensionsloser Parameter, der sich aus Simulationsergebnissen errechnet, setzt die strömungstechnischen und chemischen Größen zueinander in Beziehung, um diese komplexen Zusammenhänge und ihren Einfluss auf die Zündstabilität zu erklären. Die typischen technischen Eingangsdaten sind Druck, Temperatur, turbulente kinetische Energie, Restgaskonzentration und lokales Luft-/Kraftstoffverhältnis. Ein Star-CD-Makro führte die Berechnungen aus und speicherte die Zusatzdaten in Dateien zur automatischen Nachbearbeitung.

Diese Verfahrensweise, die auf zwei Ottomotoren mit unterschiedlichen Zylinderinnenströmungen am Grenzbetriebspunkt einer gerade noch stabilen Verbrennung angewendet wurde, hilft bei der Bestimmung der Grenzwerte für ein stabiles Zündverhalten. Die dimensionslosen Parameter wurden in das Borghi-Diagramm eingezeichnet und zeigen die Eigenschaften der Vormischflamme in Abhängigkeit von chemischen und turbulenten Größen. Aus den Isolinien der Damköhler-, Karlovitz- und Reynolds-Zahlen lässt sich ableiten, dass zur Gewährleistung einer stabilen Zündung eine Damköhler-Zahl über 12,5 erforderlich ist. Ein Vergleich der Ergebnisse aus der Simulation mit denen des Prüfstands zeigt eine gute Übereinstimmung.

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