Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Im Rahmen des FVV Forschungsvorhabens ?Erarbeitung eines thermodynamisch basierten Modellierungsverfahrens für den Otto-DI-Verbrennungsprozess? ist am Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme LAV der ETH Zürich das umfangreiche Modell Codino zur Beschreibung von Einspritzung, Gemischbildung, Verbrennung und Stickoxidentstehung in einem direkteingespritzten Ottomotor entwickelt worden. Codino (Combustion of Otto-DI with NO formation) wurde auf einer PC Plattform komplett neu entworfen und erlaubt die Berechnung des Hochdruckprozesses in der Grössenordnung von wenigen Sekunden.Zahlreiche Experimente und dreidimensionale Simulationen dienten hierbei als Grundlage zur Erarbeitung eines Grundverständnisses der Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgänge im Brennraum. Physikalische ähnliche Vorgänge in wand- und luftgeführten Brennverfahren lassen die für den Anwendungsfall des strahlgeführten Brennverfahrens entwickelten Ansätze für Gemischbildung und Verbrennung übertragbar erscheinenIm experimentellen Bereich wurde der Motorenprüfstand inklusive Einzylinder-Forschungsmotor mit Benzindirekteinspritzung (M111-Ableitung) aufgebaut und in Betrieb genommen. Es wurden zahlreiche, speziell auf die Fragestellung angepasste Messmethoden zur zielgerichteten Untersuchung der physikalisch-chemischen Vorgänge während der Einspritzung und Verbrennung im Aggregat entwickelt. Mit diesem Messtechnikpool konnten weitreichende Erkenntnisse über das Brennverfahren und die Haupteinflussparameter auf die geschichtete Verbrennung erarbeitet werden.Als wichtiges Diagnostikwerkzeug wurde die Ionenstromsondentechnik implementiert, indem der Brennraum mit 16 Sonden ausgestattet wurde. Somit konnte die lokale Flammverteilung in Bezug zur globalen Energieumsetzung gestellt werden. Gleichzeitig wurde ein neuartiges Endoskopieverfahren sowohl zur Visualisierung der Flammpropagation als auch der Sprayausbreitung entwickelt, welches speziell für schwer zugängliche Brennräume geeignet ist. Die Bestimmung der Temperatur sowie des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der aktuellen Reaktionszone erfolgte mit Hilfe der Zwei-Farben-Methode. Diesen Untersuchungen wurden Russuntersuchungen im Abgasstrang (SMPS, DC, PAS, Coulometrie, Gravimetrie) zu Vergleichszwecken gegenübergestellt, wobei sich weitgehende Übereinstimmungen ergaben. Zusätzlich wurden Untersuchungen mit Hilfe der Spektrographie zur Darstellung der spektralen Flammstrahlung durchgeführt. Ausserdem erfolgte die Durchführung von Aufnahmen des Flammleuchtens mit Hilfe der Dioden- bzw. Lichtleitertechnik sowie der Lichtleiterzündkerze. Diese Lichtentwicklung wurde in Bezug zur Wärmeentwicklung gesetzt.Die Untersuchungen erfolgten trotz der Vielzahl an Messmethoden in einem weitreichenden Kennfeldbereich ausgehend von zwei Sternpunkten unter Variation der typischen motorischen Parameter wie z.B. Last, Drehzahl, Zündzeitpunkt, Einspritzbeginn, Kraftstoffdruck, Drall, Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Abgasrezirkulationsrate. Durch die Anwendung dieses Messtechnikpools in diesem umfassenden Kennfeldbereich ergab sich ein sehr gutes Verständnis über die Gemischbildung und die Verbrennung. Diese Untersuchungen dienten als Basis für die Modellierung des Zwei-Zonen-Modells Codino und sind als notwendige Grundlage dafür und auch für die Generalisierung auf andere Motoren mit ähnlichem, strahlgeführten Brennverfahren von äusserster Wichtigkeit.Die dreidimensionalen Simulationen der Gemischaufbereitung sind mit KIVA 3 durchgeführt worden. Zur Kalibrierung der Spraymodelle wurden an einer Hochtemperaturdruckzelle Einspritzungen unter definierten Randbedingungen durchgeführt. Anschliessend wurden, ausgehend von einem Standardfall, insgesamt neun Variationen von Systemparametern für den Anwendungsfall der Einspritzung in den Brennraum des Forschungstriebwerkes M111 berechnet. Die so gewonnenen, unabdingbaren Erkenntnisse flossen in Codino mit ein, welches alle relevanten physikalischen Phänomene der Gemischaufbereitung berücksichtigt.Die Verwendung des thermodynamischen Zwei-Zonen-Modells mit einem erweiterten Zeldovich Mechanismus erlaubt die Berechnung der NO-Bildung und Konzentrationen. Zur Bestimmung der Konzentrationen der einzelnen Spezies wurde ein Gleichgewichtslöser aus der CHEMKIN-Familie implementiert.Das verwendete Modell ist für die Systemgrenzen eines geschlossenen Systems entwickelt worden, das heisst für den Hochdruckprozess vom Zeitpunkt ?Einlassventil schliesst? bis zum Zeitpunkt ?Auslassventil öffnet?.Nach einer Kalibrierung des Ansatzes für eine motorspezifische Konfiguration werden ausschlieslich 6 physikalisch basierte Parameter an betriebspunktcharakteristische Gegebenheiten, wie beispielsweise dem Gemischzustand an der Verbrennungsfront, angepasst. Die betriebspunktabhängige Variation dieser Parameter ist jedoch immer nachvollziehbar und systematisch. ...
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Boulouchos,Konstantinos
Koch,Thomas
Schänzlin,Kathrina
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Im Rahmen des FVV Forschungsvorhabens ?Erarbeitung eines thermodynamisch basierten Modellierungsverfahrens für den Otto-DI-Verbrennungsprozess? ist am Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme LAV der ETH Zürich das umfangreiche Modell Codino zur Beschreibung von Einspritzung, Gemischbildung, Verbrennung und Stickoxidentstehung in einem direkteingespritzten Ottomotor entwickelt worden. Codino (Combustion of Otto-DI with NO formation) wurde auf einer PC Plattform komplett neu entworfen und erlaubt die Berechnung des Hochdruckprozesses in der Grössenordnung von wenigen Sekunden.Zahlreiche Experimente und dreidimensionale Simulationen dienten hierbei als Grundlage zur Erarbeitung eines Grundverständnisses der Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgänge im Brennraum. Physikalische ähnliche Vorgänge in wand- und luftgeführten Brennverfahren lassen die für den Anwendungsfall desstrahlgeführten Brennverfahrens entwickelten Ansätze für Gemischbildung und Verbrennung übertragbar erscheinen.Im experimentellen Bereich wurde der Motorenprüfstand inklusive Einzylinder-Forschungsmotor mit Benzindirekteinspritzung (M111-Ableitung) aufgebaut und in Betrieb genommen. Es wurden zahlreiche, speziell auf die Fragestellung angepasste Messmethoden zur zielgerichteten Untersuchung der physikalischchemischenVorgänge während der Einspritzung und Verbrennung im Aggregat entwickelt. Mit diesem Messtechnikpool konnten weitreichende Erkenntnisse über das Brennverfahren und die Haupteinflussparameter auf die geschichtete Verbrennung erarbeitet werden. ...
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Boulouchos,Konstantinos
Koch,Thomas
Schänzlin,Kathrina
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