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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501123
Projekttitel
Duel-Fuel – Verbrennungsprozesse mit laserbasierten Messtechniken

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Englisch)
characterization of mixture formation, investigation of ignition and flame propagation, detection of soot production, application in a flexible rapid compression machine (FRCM) for dual fuel combustion, generation of reference data for CFD validation
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
Die Weiterentwicklung von "Dual-Fuel"-Motoren ist eine attraktive Lösung um zukünftige Emissionsvorschriften bei optimaler Effizienz und Brennstoff-Flexibilität zu erfüllen. Zum dazu notwendigen Verständnis der fundamentalen innermotorischen Vorgänge bei relevanten Betriebsbedingungen werden moderne laserbasierten Techniken an experimentellen Versuchsträgern für Untersuchungen unter herausfordernden Druck- und Temperaturbedingungen implementiert.
Kurzbeschreibung
(Englisch)
The advancement of dual-fuel engines is an attractive solution for both the compliance with future emissions standards with optimized efficiency and for increasing fuel flexibility. This needs a better understanding of the fundamental in-cylinder phenomena at engine relevant conditions. Advanced laser-based optical techniques at experimental test rigs for investigations at challenging high pressure and temperature conditions shall be implemented.
Schlussbericht
(Deutsch)

Der Diesel-Gas-Motor bietet eine attraktive Lösung zur Erfüllung künftiger Abgasvorschriften. Er kann mit einer Vielzahl von Zweistoffgemischen betrieben werden, wobei weitere Steigerungen im Wirkungsgrad zu erwarten sind. Allerdings ist ein besseres Verständnis der innermotorischen Verbrennungsvorgänge nötig, um die gewünschten Ziele zu erreichen. In diesem Projekt wurden dazu fortschrittliche Lasermessmethoden zur zweidimensionalen Erfassung verbrennungsrelevanter Parameter eingesetzt. Die Methoden umfassen verschiedene Hochgeschwindigkeits-Schnittbildtechniken (10 kHz) wie Zweifarben-Tracer-PLIF (planare laserinduzierte Fluoreszenz) zur Erfassung der Pilotbrennstoffverteilung, Formaldehyd (CH2O)-PLIF zur Detektion der Produkte der kalten Verbrennung und OH-Radikal-PLIF zu Detektion der Flamme. Dazu kommen laserinduzierte Inkandeszenz (LII) und 2D-Absorptionsmessung (DBI) zur Russdetektion zur Anwendung. Weiterführende Verbesserungen der Methodik unter Einbezug passiver Hochgeschwindigkeits-Kinematographie erlaubten, unter Verwendung hochrepetitiver Laser, die Diesel-Gas-Verbrennung an einem Einhubtriebwerk zu erforschen. Mit den Messungen wurde ein umfangreicher Parameterraum mit Variation der Temperatur, der Methankonzentration sowie Druck und Dauer des Zündstrahls erfasst. Ein chemischer Einfluss des Methans konnte entdeckt werden: Methan inhibiert die Reaktivität der kalten Verbrennung in pilotbrennstoffarmen Mischungen und versursacht dadurch eine insgesamt verspätete Zündung. Dies führt einerseits zu einer Pilotbrennstoffverdünnung und möglicherweise damit zu Fehlzündungen, andererseits nimmt die Russtendenz ab. Im Gegensatz dazu sind bei längeren Eindüsungen wegen der resultierenden geringeren Sauerstoffverfügbarkeit mit Methan grössere Russkonzentrationen festgestellt worden. Aus den Messdaten wurden die für die Verbrennung relevanten Parameter bestimmt; die Resultate stehen nun in Form einer Datenbank für Validierung von CFD-Simulationen zur Verfügung.

Schlussbericht
(Englisch)

The advancement of dual-fuel engines is an attractive solution for both the compliance with future emissions standards with optimized efficiency and for increasing fuel flexibility. A better understanding of the fundamental in-cylinder phenomena at engine relevant conditions is needed to achieve these goals. In the present project, in the first step, advanced laser-based optical techniques for 2-dimensional cross-cut detection of combustion relevant parameters were developed. The methodology portfolio includes high speed (10 kHz) two-color TMPD tracer-PLIF (planar laser induced fluorescence) for the detection of pilot-fuel concentration, CH2O-PLIF and OH-PLIF for the detection of first and second stage ignition as well as laser induced incandescence (LII) for the soot detection. Measures to improve the signal and combine the methods with passive high-speed diagnostics were undertaken, to enable application of the methodology in a rapid compression machine to study dual-fuel combustion. A wide experimental matrix of dual-fuel engine-like conditions was tested including variations of the charge temperature, oxygen content and methane equivalence ratio, pilot fuel injection pressure and duration. It was proven that methane delays the pilot-fuel ignition trough a chemical interaction by inhibiting the first stage ignition in pilot-fuel lean regions. This observation explains the engine misfire of too short pilot injections. Related to this influence of methane, a complex interplay of combustion sooting propensity with methane has been revealed: For short pilot injections, lower soot quantity has been observed in dual-fuel cases due to the prolonged ignition delay and related spray lean-out. Contrary, for long injections methane inhibits soot oxidation and leads to an increased soot quantity. The experimental data has been processed to extract the relevant metrics of the dual-fuel combustion and assembled into a database for purposes of validation of CFD-simulations.

Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Italienisch)
La crescita nell’interesse nei motori dual-fuel è una soluzione attraente per entrambe le problematiche delle emissioni e la fuel-flexibility. Per perseguire questi obiettivi si necessita di una più approfondita comprensione dei fenomeni interni al cilindro a condizioni operative reali. In questo progetto, nella prima fase si sono sviluppate tecniche di diagnostica laser avanzate per sezioni bidimensionali di parametri di combustione. Le metodologie disponibili includono: due colori TMPD tracer-PLIF ad alta velocità (10kHz) per la diagnostica della concentrazione del carburante pilota, CH2O-PLIF e OH-PLIF per la diagnostica dell’accensione del primo e secondo stadio e del Laser Induced Incandescence (LII) per la diagnostica del particolato. In una macchina a compressione rapida, per studiare il dual-fuel, sono state applicate metodologie per migliorare il segnale e accoppiare le metodologie con diagnostica a bassa frequenza. Una vasta gamma di condizioni sperimentali sono state investigate, includendo variazioni di contenuto di ossigeno e rapporto di equivalenza del metano, pressione del pilota e durata. É stato provato che il metano ritarda l’accensione del combustibile pilota inibendo l’accensione nelle zone magre del primo stadio. Questa affermazione spiega il misfiring delle iniezioni del pilota troppo brevi. Una complessa interazione della produzione di particolato con il metano è stata notata. Per iniezioni brevi del pilota una quantità di particolato minore è stata osservata in dual-fuel dovuta al prolungato ritardo di accensione e relativa diluizione dello spray. Al contrario, per iniezioni lunghe, il metano inibisce l’ossidazione del particolato da cui deriva una quantità maggiore di quest’ultimo. I dati raccolti sono stati processati per estrarre la metrica rilevante al dual-fuel combustore assemblarla in un database con l’obbiettivo di validazione di simulazioni CFD.