1. Grundlagen der Verbrennung

Transcrição

Grundlagen der Verbrennung
Brennstoffe
Luftbedarf und Luftverhältnis
Gemischheizwert
Chemisches Gleichgewicht
Zusammensetzung und Stoffgrößen des
Verbrennungsgases
Umsetzungsgrad
Reaktionskinetik
Zündprozesse
Flammenausbreitung
Brennstoffzelle
Thermodynamik des Verbrennungsmotors
Sommersemester 2011
Reaktionskinetik
Reaktionskinetik
 Reaktionskinetik ist die Lehre von der Geschwindigkeit chemischer
Reaktionen
 Laufen die chemischen Reaktionen mit einer Geschwindigkeit ab, die
vergleichbar ist mit der Geschwindigkeit der Strömung und der
molekularen Transportprozesse, werden Informationen über die
Geschwindigkeit chemischer Reaktionen benötigt.
 Die für die Verbrennung im Motor zur Verfügung stehende Zeit ist
äußerst kurz, so dass die Vorgänge wesentlich von der
Reaktionskinetik bestimmt werden.
 Das gilt für die Verbrennung selbst wie auch für einige als Folge der
Verbrennung ablaufende Umwandlungsprozesse, die für die
Abgaszusammensetzung von Bedeutung sind (z.B. NOx-Bildung).
 Die Vorgänge bei der Verbrennung und der Schadstoffbildung sind so
komplex, dass sie derzeit nur tendenziell erfasst und nicht exakt
vorausberechnet werden können.
Sommersemester 2011
Reaktionskinetik
Radikalkettenreaktionen
Kettenabbruch
Ketteneinleitung
Reaktive Spezies
(Radikale) werden aus
stabilen Spezies gebildet
ReaktionsKettenmechanismus
Reaktive Teilchen
reagieren zu stabilen
Molekülen (z.B. an
Gefäßwänden oder in der
Gasphase)
Kettenfortpflanzung
Kettenverzweigung
Reaktive Teilchen
reagieren mit stabilen
Spezies unter Bildung
eines anderen reaktiven
Teilchens
Reaktives Teilchen
reagiert mit stabilem
Molekül unter Bildung
zweier neuer reaktiver
Teilchen
Sommersemester 2011
Reaktionskinetik
Temperaturabhängigkeit von Geschwindigkeitskoeffizienten

Geschwindigkeitskoeffizienten extrem stark und nicht.linear von der Temperatur abhängig

Beschreibung der Temperaturabhängigkeit durch Arrhenius-Ansatz

Aktivierungsenergie stellt jene Energieschwelle dar, die für den Reaktionsablauf
überwunden werden muss

Diese entspricht maximal den beteiligten Bindungsenergien, kann aber auch wesentlich
kleiner sein, wenn simultan zur Bindungsbrechung neue Bindungen geknüpft werden
 Ea 
k  A  exp  

 RT 
Sommersemester 2011
Zündprozesse
Zündverzugszeit
 Bei chemischer Reaktion tritt Explosion erst nach einer sogenannten
Zündverzugszeit ein (typisch für Kettenreaktionen)
 Kettenverzweigungsreaktionen laufen mit der Bildung von Radikalen ab, die
Temperatur des Systems ändert sich jedoch nicht merklich.
 Zündverzugszeit ist stark temperaturabhängig.
 Für verschiedene Kraftstoffe bzw. Kraftstoff-Luft-Gemische existieren eine
Reihe von empirischen Abhängigkeiten vom Druck p und der Temperatur T des
Gemischs.
 Exponentieller Ansatz für die Temperaturabhängigkeit (nach dem
Arrhenius-Ansatz):
................Zündverzugszeit [ms]
 B
 
T 
  A p n e
A................präexponentieller Faktor [ms barn]
p................Druck[bar]
n................Druckexponent
B................Faktor, proportional der
Aktivierungsenergie [K]
Sommersemester 2011
Zündprozesse
Zündverzugszeiten verschiedener Kohlenwasserstoff-Luft - Mischungen
Beispiel zur Berechnung der Zündverzugszeit für Kohlenwasserstoffe unter Einbeziehung
der Oktanzahl OZ des Kraftstoffs (Beziehung von Douaud und Eyzat):
3,402
 OZ 
  0,01768  
 100
 3800


 T 
p1,7 e
Sommersemester 2011
Zündprozesse
Zündgrenzen und Zündbedingungen
Selbstzündung
Fremdzündung
(Induzierte Zündung)
Energie zur Initialisierung
einer Verbrennung stammt
aus einer Kompression
Zündung eines von sich aus
nicht selbst zündenden
Gemisches lokal durch eine
Zündquelle

Erhöhung der Temperatur lokal innerhalb des Zündvolumens durch Einbringung einer
Energiemenge (größer oder gleich der Mindestzündenergie) soweit, dass thermische
(Selbst-)Zündung eintritt.

Erhöhung der Konzentration von Radikalen soweit, dass eine chemische Explosion
stattfindet.
Mindestzündenergie:

Jene minimale Energiemenge, die lokal einem System zugeführt werden muss, damit eine
Zündung eingeleitet wird.

Die Mindestzündenergie nimmt mit der zu erwärmenden Stoffmenge und deren
Wärmekapazität (proportional zum Zündvolumen und dem herrschenden Druck) zu.
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Wenn in einem zündfähigen Gemisch an einer Stelle Zündung eingetreten ist,
breitet sich die Flammenfront vom Zündvolumen aus, unter der Voraussetzung,
dass die entsprechenden Mischungsvorgänge und Kettenreaktionen genügend
rasch ablaufen.
Vorgemischte Verbrennung
Nicht-vorgemischte Verbrennung
Brennstoff und Oxidationsmittel
weitgehend homogen
vorgemischt
Vermischung von Brennstoff und
Oxidationsmittel erst während
der Verbrennung
Flammenfront verläuft durch den
Brennraum, hinter ihr entsteht
die verbrannte Zone
Komplexerer Vorgang, da
Vermischung und Verbrennung
gleichzeitig ablaufen
Vorgemischtes Gemisch
verbrennt im Fall von HC
oberhalb der Rußgrenze
Gelbliches Leuchten aufgrund
der Strahlung glühender Rußteile
Bläuliches Leuchten durch
Lichtemission von CH und C2
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Detonation
Deflagration
Hohe
Ausbreitungsgeschwindigkeit
(> 1000 m/s) (hohe
Schallgeschwindigkeit im
verbrannten Gas)
Normale
Flammenfortpflanzung,
bedingt durch chemische
Reaktion und molekulare
Transportprozesse
Flammenausbreitung wird
durch Druckwelle bewirkt
Die Flammenfrontgeschwindigkeit ist kleiner als
die Schallgeschwindigkeit
Aufrechterhaltung der
Druckwelle durch chemische
Reaktion und damit
verbundene Wärmefreisetzung
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Laminare Vormischflammen

Bei laminaren Vormischflammen sind Brennstoff und Oxidationsmittel vorgemischt und
die Strömung verhält sich laminar.

Ein Beispiel dafür ist die laminare flache Flamme:

Charakterisierung des Fortschritts laminarer
flacher Vormischflammen erfolgt durch eine
laminare Flammengeschwindigkeit vL, welche
abhängig ist von:
Jeweiligem Gemisch
Druck
Anfangstemperatur

Wenn vL < vu : Flamme hebt ab

Daher muss für die flache Flamme gelten: vL  vu
vL......laminare Flammengeschwindigkeit

Kurz vor dem Abheben der Flamme ist vL  vu ,
sodass sich angenähert laminare
Flammengeschwindigkeiten messen lassen
vu......Anströmgeschwindigkeit des
Frischgases
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Die laminare Flammengeschwindigkeit vfl der meisten Kohlenwasserstoff-LuftGemische liegt um 40 cm/s, sie steigt mit der Temperatur und sinkt mit
zunehmendem Druck.
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Verläufe der laminaren Flammengeschwindigkeiten verschiedener Brennstoffe in
Abhängigkeit vom Luftverhältnis l bzw. von dessen Kehrwert 
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
 Bei den meisten technischen Anwendungen wird der Ablauf der Verbrennung
durch das umgebende turbulente Strömungsfeld geprägt
 Sowohl die turbulente kinetische Energie wie auch die Größe der Wirbel sind
von entscheidendem Einfluss.
 Zur Charakterisierung der laminaren bzw. turbulenten Flammenausbreitung
erweisen sich zwei dimensionslose Kennzahlen als hilfreich, die turbulente
Reynolds-Zahl Ret und die turbulente Damköhler-Zahl Da:
Ret 
v lI

I
Da 
 ch
v´................mittlere Schwankungsgeschwindigkeit
I................turbulente integrale Zeit
lI .................integrale Länge
ch .............Zeitskala der chemischen Reaktionen
.................kinematische Zähigkeit des Fluids
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
 Auffaltung der laminaren Flammenfronten mit zunehmender
Turbulenz
Zunehmende Turbulenz
Verbreiterung der Reaktionszone
Bei Annahme der Ausdehnung der laminaren Flammenfront Al mit
laminarer Flammengeschwindigkeit vfl gilt mit Einführung von At und vt:
ρu vt At  ρu vl Al
Für nicht zu große
Turbulenzintensität gilt für das
Flächenverhältnis von laminarer
zu turbulenter Flammenfront
nach Damköhler:
Al
v
 1
At
vl
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Damit ergibt sich folgende Abhängigkeit der turbulenten
Flammengeschwindigkeit vt von der laminaren Flammengeschwindigkeit vfl und
der turbulenten Schwankungsgeschwindigkeit im unverbrannten Gas v':
 v 
vt  vfl  v  vfl 1 
 vfl 
Für das in die Flamme eingebrachte Gemisch gilt:
d mein
 u v t At
dt
 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme nimmt mit steigender Turbulenz
zu.
 Bei steigender Motordrehzahl nehmen die Strömungsgeschwindigkeiten und
damit die turbulente Schwankungsgeschwindigkeit im Brennraum zu.
 Dadurch steigt auch die Flammengeschwindigkeit, so dass die Verbrennung
beinahe immer denselben Kurbelwinkelbereich umfasst.
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Flammenlöschung
 Kohlenwasserstoffe als Schadstoffe entstehen teilweise dadurch, dass
der Brennstoff nicht vollständig verbrannt wird.
 Dies ist bedingt durch lokale Flammenlöschung.
 Die Unterscheidung erfolgt nach:
Flammenlöschung durch Streckung
Flammenlöschung an der Wand und in Spalten
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Flammenlöschung durch Streckung
 Flammenlöschung durch Streckung wird ausschließlich von den
Prozessen in der verbrennenden Gasmischung kontrolliert.
 Die Streckung beschreibt den Geschwindigkeitsgradienten entlang der
Flammenfläche
 Starke Streckung von Flammenfronten führt zu lokaler Löschung der
Flammen
 Findet keine erneute Zündung statt, so verlässt der Brennstoff
unverbrannt die Reaktionszone
 Besonders wichtig bei fetten oder mageren Gemischen
 Grund für die hohen HC-Emissionen bei Magermotoren
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Flammenlöschung an der Wand und in Spalten
 Wird verursacht durch Wechselwirkung der Flamme mit den Wänden
des Reaktionsraumes
 Verantwortlich hierfür sind:
Wärmeableitung an die Wand
Zerstörung reaktiver Zwischenprodukte durch Reaktionen an
der Wandoberfläche
 Unterscheidung zwischen:
Löschung einer zur Wand parallelen Flammenfront
Löschung einer zur Wand senkrechten Flammenfront
Flammenlöschung in Spalten
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
 Vorgemischte Verbrennung beim Ottomotor
Zündung des homogenen Kraftstoff-Luft – Gemisches nahe
OT durch elektrischen Funken
Turbulente Flammenfront breitet sich von der
Zündkerzenposition bis zur Brennraumwand aus
Kontrollierte Verbrennung in einer Deflagration (keine
Detonation !)
Vorgemischte Verbrennung bei hohen Temperaturen und
hohen Geschwindigkeiten
Oberhalb der Rußgrenze weitgehend rußfrei
(Anwendung der vorgemischten Verbrennung auch im
Dieselmotor angestrebt - HCCI)
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Flammendiagnostik
mittels tomographischer
Tomographic Combustion
Analysis TCA Verfahren
Abbildung von Objekten, die
zwar für eine konventionelle
Abbildung nicht zugänglich sind,
aber die Anwendung integraler
Intensitätsmessungen entlang
einer großen Anzahl von
Messstrahlen erlauben
Zeitlich und räumlich hoch
aufgelöste Erfassung von
Flammenausbreitung und
Klopffronten durch Kombination
von Tomographie und
Lichtleitertechnik
Hohe Empfindlichkeit zur
Beobachtung der
Flammenkernbildung
Korrekte geometrische
Abbildung komplexer
Flammengeometrien
Sommersemester 2011
Flammentomographie
Anwendung am Einzylinder-Forschungsmotor
Aufbau auf Zylinderblock
Ausfräsungen am Feuerring
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 22
Flammentomographie
Ergebnisse Flammenausbreitung: Drallvariation
21°KW
IMEP 14bar, ZZP 27°v.OT, 500 mg/mn³ NOx
• Stabilisierung der
Verbrennung durch
Drallerhöhung
-19
• Flammenausbreitung
Richtung AV
Flachkolben, Drall 0
EVIV
AV
EV
EV
AV
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 23
Flammentomographie
Ergebnisse Flammenintensität: Drallvariation
120
10
Drall 2
0
- 20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70°KW
• Kompaktere und symmetrischere Flamme durch Erhöhung des Drallniveaus
• schnellere Verbrennung
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 24
Intensität
Drall 0
Flammentomographie
Ergebnisse Flammenausbreitung: Kolbenvariation
21°KW
• starke Verdichtung der Isolinien
im Bereich der Mulde
-19
• Verzögerung der
Flammenausbreitung in den
Quetschspalt
Muldenkolben, Drall 2
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 25
Flammentomographie
Ergebnisse Flammenintensität: Kolbenvariation
120
Flach-
10
Mulden-
Intensität
kolben
kolben
0
- 20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70°KW
• Muldenkolben brennt langsamer an die Brennraumwand
• die Maximalintensitäten des Flammenleuchtens ist bei beiden Kolben in etwa gleich groß
> gleicher Betriebspunkt
• keine Einblicke in die Mulde möglich > Messebene = Zylinderkopfebene
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 26
Lokale Lichtintensitätsmessungen
Einbauposition der optischen Sensoren
24mm
5
5
4
1
1
89mm
EV
41mm
IV
2
69mm
2
ventile
90mm
Auslass-
3
4
3
Einlassventile
• 5 Sensoren parallel zur Zylinderachse
• gute Verteilung in radialer Richtung und am Brennraumrand
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 27
Ergebnisse Vorkammerkonzept, Muldenkolben
100
80
60
160
PM1
PM2
PM3
PM4
PM5
Zylinderdruck
Heizverlauf
40
4.8
3.6
120
80
40
0
2.4
1.2
0.0
-15.0
-9.5
-4.0
1.5
23.5
7.0
12.5
18.0
Kurbelwinkel [°KW]
29.0
34.5
40.0
Heizverlauf
[kJ/m³ °KW]
Heizverlauf [kJ/m3Grd]
OH-Intensität [-]
Zylinderdruck [bar]
Messposition 1 zeigt
Lichtintensität aus der
Flammenfackel
Flammenfackeln
entzünden Gemisch um
Position 2, Flammenfront
läuft in Richtung Position 1
größte Verweilzeit der
Flamme und der somit
größte Anteil der
Flammenstrahlung bei
Position 2 > gute
Korrelation mit dem
globalen Heizverlauf
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 28
100
80
60
120
40
80
20
40
4.8
0
PM1
PM2
PM3
PM4
PM5
Heizverlauf
Pzylmittel
3.6
2.4
1.2
Heizverlauf
[kJ/m³ °KW]
Heizverlauf [kJ/m3Grd]
OH-Intensität [-]
Zylinderdruck [bar]
Ergebnisse Direktzünder, Muldenkolben
Durchlaufende Flammenfront, ausgehend von der
Zündkerze
Niedrigere Intensitäten
Längere Brenndauer
gegenüber Vorkammerkonzept
Gute Korrelation der
Einhüllenden der
optischen Signale mit
dem globalen Heizverlauf
0.0
-30
-19
-8
3
14
25
36
47
58
69
80
Kurbelwinkel [°KW]
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 29
Verifikation 3D CFD Simulation
Erfasste Bereiche: Zellen, die im optischen Blickfeld des
Sensors liegen
Vergleichswert:
Messung: OH- Intensitätsverläufe
3D CFD: flächennormierter lokaler Brennstoffumsatz
Sensorpositionen: wie Messung
Vergleich mit Einzelzyklen der Messung
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 30
90
5
60
3
4
2
EVIV
30
1
AV
EV
0
0.12
0.12
0.10
0.10
0.08
0.08
0.06
0.06
0.04
0.04
0.02
0.02
0.00
0.00
-10
0
10
20
30
40
Kurbelwinkel [°KW]
50
60
70
Messposition1
Messposition2
OH-Signal [-]
Simulation [-]
Heizverlauf [kJ/m³deg]
Verifikation 3D CFD Simulation: Direktzünder
Messposition3
Messposition4
Messposition5
--- Messung
80
Sommersemester 2011
Simulation
3. März 2011
Folie 31
Flammenausbreitung Vorkammer
Eingesetzte Messtechnik
Adapter mit eingebauten
Lichtleitern
Sensor mit Zündkerze, Druck- und
Temperatursensor
Ansicht Brennraumseitig
Gesamtansicht
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 32
Sensorapplikation
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 33
Geometriedefinition
Detektion der Flammenankunft an den
einzelnen Kanälen über dem Kurbelwinkel
Innerer Kreis: 8 Kanäle, blau
Äußerer Kreis: 8 Kanäle, rot
Sensoranordnung sternförmig
Diagramme: aufgetragen ist der Zeitpunkt
der Flammenankunft in °KW v.OT
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 34
Ergebnisse einer ZZP Variation, IMEP 14bar
9
8
1
10
9
2
11
8
12
10
9
2
11
8
12
13
14
14
15
15
15
16
16
3
17
4
6
7
3
17
4
6
2
11
13
14
1
10
12
Innen
Außen
13
7
1
16
7
3
17
4
6
5
5
5
ZZP 35° v.OT
ZZP 30° v.OT
ZZP 25° v.OT
Sehr symmetrische Flammenausbreitung
Reguläre Ausbreitung von der Zündkerze ausgehend
Vergrößerung des Zündverzugs durch zunehmende
Vorzündung
Thermodynamik des Verbrennungsmotors 3. März 2011
Sommersemester 2011
Folie 35
Ergebnisse 3D-CFD Simulation
18° v.OT
13° v.OT
17° v.OT
12° v.OT
16° v.OT
15° v.OT
14° v.OT
11° v.OT
10° v.OT
9° v.OT
1
8
7
Flammenankunft ca. 10°KW v.OT
9
10
11
12
13
14
15
16
17
2
3
4
6
5
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 36
Detektion von Verbrennungsanomalien: Glühzündungen
Reguläre
Verbrennung
1
1
9
8
10
2
11
8
12
13
14
15
16
7
3
17
4
6
5
7
31
32
33
34
35
36
37
38
39
Glühzündungen
2
8
Innen
Außen
3
4
6
7
1
31
32
33
34
35
36
37
38
39
2
3
4
6
5
5
Zündkerzenausrichtung
Ähnliche Flammenausbreitungsbilder wie mit Funkenzündung
Entzündungsbereich innerhalb des inneren Sensorkreises
Wahrscheinlicher Zündort: Massebügel der Zündkerze
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 37
Flammenausbreitung
 Klopfen
Detonationen bei der (otto)motorischen Verbrennung
(Hochfrequentes Geräusch, von dem die Bezeichnung Klopfen
herrührt)
Entsteht durch Selbstzündung des noch nicht von der Flamme
erfassten Gemischs im Brennraum (Endgas)
Starken Anstieg des Drucks sowie der Temperatur und
Ausbreitung von Druckwellen mit großen Amplituden durch die
plötzliche Freisetzung hoher Anteile der chemischen Energie
Führt zu Materialschäden, die den Motor unter Umständen
innerhalb kurzer Zeit zerstören können.
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung

Vorreaktionen zur Verbrennung schreiten durch lokal unterschiedliche Verteilungen von
Druck, Temperatur und Luftverhältnis verschieden weit fort.

Selbstzündung bei Abschluss von Vorreaktionen

Bei niedrigen Temperaturen schwache Druckwellen, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der
Flammenfront liegt in der Größenordnung normaler Verbrennung (Deflagration).

Bei hohem Druck und Temperatur und beschleunigtem Ablauf der chemischen Reaktionen
Flammenausbreitung um einige Zehnerpotenzen schneller (Detonation).
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Theorien zu Entstehung und Ablauf des Phänomens „Klopfens“
Verdichtungstheorie
Detonationstheorie
Kolbenverdichtung und
Kompressionswirkung der
Flammenfront bewirken im
Endgasbereich der
Selbstzündungszustand
Aufsteilung der
Druckwellen, die von der
normalen Flammenfront
ausgehen, bewirkt
Stoßwellen
Der Zustand wird an jenen
Stellen erreicht, wo
Gemischzusammensetzung
und Temperatur eine
geringe Zündenergie
erfordern.
Erreichen von
Selbstzündungsbedingunge
n in der Stoßfront
(Zündung des Endgases)
Durch die von den
einzelnen
Selbstzündungsherden
ausgehenden Druckwellen
erfolgt eine plötzliche
Verbrennung des Endgases.
Die mit der Stoßwelle
gekoppelte Reaktionszone
durchläuft das Endgas als
Detonationswelle mit
Überschallgeschwindigkeit
Kombinationstheorie
Vereinigung von
Verdichtungs- und
Detonationstheorie
Schnelle
Flammenausbreitung im
Endgasbereich ausgehend
von der Selbstzündung
Stoß- und
Detonationswelle bei
stärker klopfenden
Arbeitsspielen
Ausbreitung von
Sekundärflammenfronten
im Endgasbereich mit
Unterschallgeschwindigkeit
Bei stärker klopfenden
Zyklen plötzliche
Beschleunigung auf
Überschall
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
 Klopfhärte
Dient zur Quantifizierung der Klopfintensität
(Betrag der maximalen hochfrequenten
Druckamplituden)
Je nach Intensität feines Klingeln bis harte
Hammerschläge
Gefährdung der Motorbauteile bei langfristig hoher
Klopfintensität:
Neben den heftigen erosiv wirkenden Druckwellen treten
hohe thermische Belastungen auf
Durch hohe Geschwindigkeiten aufgrund des
Klopfvorganges steigt Wärmeübergangszahl  sehr stark
an
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
 Antiklopfregelung
Vermeidung von motorschädigendem
Klopfen
(ottomotorisches Klopfen begrenzt
das Verdichtungsverhältnis und hat
entscheidenden Einfluss auf
Wirkungsgrad und Leistung)
Einbau eines piezokeramischen
Klopfsensor am Motorblock
Körperschall wird in elektrisches
Signal umgewandelt und einem
elektronischen Steuergerät zugeführt
(Klopfende Verbrennung erzeugt
charakteristische Geräusche)
Bei Klopferkennung wird Zündung
nach spät verstellt, sodass kein
Klopfen mehr auftritt bzw. wieder
nach vor, bis leichtes Klopfen auftritt
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Verminderung der Klopfneigung
Hohe Oktan- bzw. Methanzahlen kennzeichnen klopffeste Kraftstoffe.
Niedrige Ansauglufttemperaturen, Abgasrückführung und gute
Kühlung senken das Temperaturniveau bei Verdichtungsende.
Ablagerungen, die den Wärmeübergang verringern, sollen vermieden
werden.
Kleinere Motoren haben gegenüber größeren eine geringere
Klopfneigung, weil das Verhältnis Volumen zu Oberfläche kleiner ist.
Hohe Strömungs- und Flammengeschwindigkeiten durch gezielte
Ladungsbewegung verringern die für Vorreaktionen zur Verfügung
stehende Zeit. Aus diesem Grund sinkt die Klopfneigung auch mit
steigender Motordrehzahl.
Eine Erhöhung des Luftverhältnisses verlängert den Zündverzug.
Kompakte Brennraumformen mit zentraler Zündkerze und optimierte
Quetschspalte verkürzen die Flammenwege.
Möglichst geringe zyklische Schwankungen erlauben stabilen
Motorbetrieb nahe der Klopfgrenze.
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Modellierung des Klopfens
Phänomenologische Ansätze
Chemisch fundierte Modelle
Berechnung des
Selbstzündverzugs
Beschreibung der ablaufenden
chemischen Reaktionen
oder relevanter Parameter
der Detonation wie
Ausbreitungsgeschwindigkeit, Druck
und Temperatur
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Phänomenologische Modelle
klopfende Verbrennung tritt auf, wenn die entsprechenden
Vorreaktionen im Endgas abgeschlossen sind.
Der Vorreaktionsfortschritt wird durch Druck, Temperatur,
Luftverhältnis und Kraftstoffart bestimmt.
Die ablaufenden chemischen Vorgänge sind sehr komplex und wären
durch Hunderte chemische Reaktionsgleichungen unter
Berücksichtigung einer Vielzahl von Spezies zu beschreiben.
Ohne auf diese Reaktionen im Detail einzugehen wird in der
phänomenologischen Modellierung angenommen, dass Selbstzündung
eintritt, wenn gilt:
tSZ

dt

t 0
1
................Selbstzündungszeit (abh. von p, T für
bestimmten Kraftstoff)
t................Zeit ab der Kompression des Endgases
tSZ................Zeitpunkt der Selbstzündung
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Damit kann berechnet werden, ob Selbstzündung auftritt,
bevor die normale Flamme das Endgas durchläuft, wenn für
die Zeit zur Selbstzündung  ein Ansatz wie etwa nach der
Beziehung von Dounaut und Eyzat getroffen wird:
3,402
 OZ 
  0,01768 

100


 3800 


 T 
p1,7 e
Von entscheidender Bedeutung für die Rechnung ist eine
entsprechend feine Auflösung des inhomogenen
Temperaturfelds im Brennraum, das durch Strömungseffekte
und Wärmeübergang bestimmt ist.
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Chemische Modelle
beschreiben meist eine Vielzahl von Reaktionen, die teils unabhängig
voneinander, teils als Kettenreaktionen ablaufen.
Shell-Modell
beschreibt generalisiert die Reaktionen unter Berücksichtigung der
Reaktionskinetik
Kalibrierung durch Anpassung der Modellkonstanten an die Ergebnisse
von Experimenten erforderlich.
Sommersemester 2011
Flammentomographie
deg CA
- 18
- 13
22%
20
20
%
%
25%
0
0
Muldenkolben
Flachkolben
ZZP -30°, IMEP 15bar
ZZP -30°, IMEP 15bar
Klopfwahrscheinlichkeit
-3
deg CA
10
Position Flammenfront
Ergebnisse Klopfuntersuchung: Kolbenvariation DZ
•
Deutlicher Zusammenhang
zwischen den zuletzt von
Flammenausbreitung
der
Flamme erfassten Zonen
und den Klopforten
an der Klopfgrenze
•
Klopfausgangspunkte beim
Muldenkolben liegen
wahrscheinlich am
Muldenboden
•
große Bedeutung der
Verbrennungssimulation zur
rechnerischen Bestimmung
Klopforte
von
Klopforten mittels
3D-CFD
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 48
Anwendung Entwicklungsmethodik
CFD-Simulation
Optische Verbrennungsdiagnose
Basiskolben
Basiskolben
Optimierte Variante
Optimierte Variante
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 49
Luftverhältnis
mager
Betriebsbereich Basis
Aussetzergrenze
TA Luft
Klopfgrenze
fett
Basiskolben
Indizierter Mitteldruck
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 50
Luftverhältnis
mager
Betriebsbereich optimiert
Aussetzergrenze
TA Luft
Klopfgrenze
fett
Basiskolben
optimierte Variante
Indizierter Mitteldruck
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 51
 Kraftstoff und Luft vermischen sich erst während der Verbrennung durch
molekulare und turbulente Diffusion
 Mischungsvorgänge laufen langsamer ab als die chemischen Reaktionen
 Diffusion von Kraftstoff und Sauerstoff zur Flammenzone geschwindigkeitsbestimmend ist („Diffusionsflammen“)
 Turbulente nicht-vorgemischte Flammen sind in technischen Anwendungen
weit verbreitet, etwa in Öfen, Düsen- und Raketentriebwerken sowie Motoren
– nicht zuletzt, weil sie sicherheitstechnisch einfacher zu handhaben sind.
 Die nicht-vorgemischte Verbrennung im Motor stellt sich überaus komplex dar,
weil auch die Gemischaufbereitung im Brennraum erfolgen muss
 Alle Phänomene weisen dreidimensionalen Charakter auf
 stark von der Brennraumgeometrie und dem turbulenten Strömungsfeld
bestimmt
Sommersemester 2011
Flammenausbreitung
Prinzip der nicht-vorgemischten
Verbrennung

Einspritzung des flüssigen Kraftstoffs in das
heiße komprimierte Gas im Brennraum

Zerstäubung in unterschiedlich kleine
Tropfen.

Kraftstoff erreicht an den Oberflächen der
Tröpfchen Dampf-Sättigungsdruck
entsprechend der umgebenden Temperatur.

Filmverdampfung, wenn der Kraftstoffstrahl
auf einer Wand auftrifft.

Mischung des sich bildenden
Kraftstoffdampfes mit der umgebenden Luft
zu einem brennbaren Gemisch

Die Zusammensetzung in der Flammenzone
liegt unabhängig vom Brennstoff in der Nähe
des stöchiometrischen Luftverhältnisses.

Die Entflammung erfolgt dabei zwischen den
unteren und oberen Werten des
Luftverhältnisses in kraftstoffreichen
Sommersemester 2011
Gebieten

Dies verursacht Rußbildung, obwohl
im örtlichen Mittel Luftüberschuss
herrscht.

Der vorgemischte Teil des
eingespritzten Kraftstoffs verbrennt
nach dem entsprechenden
Zündverzug spontan mit hohem
Druckanstieg
Flammenausbreitung
 Als Verbrennungsverfahren bietet die nicht-vorgemischte Verbrennung den
Vorteil der Laststeuerung durch Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge.
 Als Nachteil ist die in den fetten Mischungszonen auftretende Rußbildung zu
nennen.
 Durch optische Lasermessverfahren und die zunehmend detaillierte
Modellierung dreidimensionaler reaktiver Strömungen konnte das Verständnis
der nicht-vorgemischten Verbrennung wesentlich vertieft werden.
 Eine Reihe von Modellen zur Berechnung der nicht-vorgemischten
Verbrennung im Motor befinden sich in Erprobung.
 Direkte Kraftstoffeinspritzung kommt im konventionellen Dieselmotor zur
Anwendung, in letzter Zeit auch bei Ottomotoren.
 Beim Ottomotor kommt es aufgrund der rascheren Verdampfung und des
längeren Zündverzugs kaum zu Rußbildung.
Sommersemester 2011
3D-CFD Methode Dieselmotor
Sommersemester 2011
3. März 2011
Folie 55
Brennstoffzelle
Funktionsprinzip – Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle
 Wasserstoff und Sauerstoff werden gasförmig beiderseits der
Elektroden der Zelle zugeführt.
 Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt als Ionenträger.
Sommersemester 2011
Brennstoffzelle
An der Brennstoffelektrode (Anode) reagiert der
Wasserstoff mit negativ geladenen OH-Ionen zu Wasser
wobei 2 Elektronen abgegeben werden:
H2  2 OH-  2H2O  2 eDie Elektronen werden über einen externen
Kreis, an dem die Zellenspannung abgenommen
werden kann, der Sauerstoffelektrode (Kathode)
zugeführt.
An der Kathode reagiert Wasser mit Sauerstoff
unter Aufnahme negativer Ladungen zu OHIonen:
1
H2O  O2  2 e-  2 OH2
Der Kreis wird geschlossen durch den Transport der
OH-Ionen durch den Elektrolyten. Die
Gesamtreaktion, bei der ein Strom von 2e- je
Molekül H2 fließt, lautet:
1
H2  O2  H2O
2
Sommersemester 2011
Brennstoffzelle
Brennstoffzelle
Elektrolyt
Ladungsträger
Betriebstemperatur
Anwendung
AFC
35-50% KOH
OH-
60 – 90 °C
Raumfahrt,
Fahrzeuge
Polymermembran
H+
50 – 80 °C
Raumfahrt,
Fahrzeuge
Phosphorsäure
H+
160 – 220 °C
Kleinkraftwerke
Karbonatschmelze
CO3--
620 – 660 °C
Kraftwerke
Zirkondioxid
O--
800 – 1000 °C
Kraftwerke
(Alkaline Fuel Cell)
PEFC
(Polymer
Elektrolyte FC)
PAFC
(Phosphoric Acid
FC)
MCFC
(Molten Carbonat
FC)
SOFC
(Solid Oxide FC)
Sommersemester 2011
Brennstoffzelle
Abhängigkeit des Maximalwirkungsgrades
der H2-O2- Brennstoffzelle von der
Temperatur im Vergleich zu dem einer
Wärmekraftmaschine mit konstantem
unteren und variiertem oberem
Temperaturniveau
Carnot 
T1  T2
T1
mit T2  50 C
Sommersemester 2011
Brennstoffzelle
Brennstoffe für Brennstoffzellen
Brennstoff
Wasserstoff
Methan
Methanol
Kohlenstoff
Gesamtreaktion
1
H2  O2  H2O
2
CH4  2 O2  CO2  2 H2O
1
CH3OH  O2  CO2  2 H2O
2
C  O2  CO2
nel
- H0
[kJ/mol]
- Gm0
[kJ/mol]
E0
[V]
th
[%]
2
286,0
237,3
1,23
83,0
8
890,0
818.4
1,06
91,9
6
726,6
702,5
1,21
96,7
4
393,7
394,6
1,02
100,2
Sommersemester 2011
Brennstoffzelle
Thermodynamischer (idealer) Wirkungsgrad der Brennstoffzelle

Der thermodynamische Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist das Verhältnis
der produzierten elektrischen Energie ∆G zur Reaktionsenthalpie der Zellreaktion
th 
E0
T ΔS
ΔG
1

ΔH
ΔH 
 dE  
 E0  T  0  
 dT  


Haben galvanische Elemente einen positiven Temperaturkoeffizienten der offenen Spannung,
so kühlen sie sich bei Stromentnahme ab und entziehen wie eine Wärmepumpe der
Umgebung Wärme; diese Wärme wird in elektrische Energie umgewandelt und erhöht den
Wirkungsgrad über 100% hinaus.

Dieser Effekt kommt praktisch nie zum Vorschein, da der Temperaturkoeffizient bei üblichen
galvanischen Zellen im Bereich von 0,1 – 1 mV/°C liegt

Weiters führt die Stromentnahme zum Auftreten von soviel Joule´scher Wärme, bedingt durch
den Innenwiderstand der Zelle, dass auch bei positiven Temperaturkoeffizienten eine
erhebliche Erwärmung auftritt
Sommersemester 2011
Brennstoffzelle
Verluste
 Ohmscher Verlust
durch den Widerstand, den die Ionen im Elektrolyten und die
Elektronen im äußeren Stromkreis zu überwinden haben.
 Weitere Verluste
durch den gegenüber der chemischen Reaktion langsamen
Diffusionsprozess der Reaktanten zum Reaktionsort,
durch Konzentrationsgradienten (Polarisation)
durch die erforderliche Überwindung von Aktivierungspotentialen.
 Der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle hängt von der
Ausführung ab, er sinkt mit der Lebensdauer, der Temperatur und
der anliegenden Stromdichte.
Sommersemester 2011
Brennstoffzelle
Vorteile
 Wirkungsgrad ist nicht durch den
Carnot-Prozess begrenzt
 Keine Emissionen von Schadstoffen
oder Lärm
 Bei Wasserstoff als Brennstoff auch
keine CO2-Emissionen
 Keine bewegten Bauteile
 Elektrolyse von Wasserstoff etwa
durch Solar- oder Wasserkraft
einen Energiekreislauf, der
ausschließlich auf erneuerbaren
Energien basiert.
Nachteile
 Hohe Herstellungskosten
 Erzeugung, Verteilung und
Speicherung des Brennstoffes
Wasserstoff ist teuer und
problematisch
 In der praktischen Anwendung
konnte der Wirkungsgradvorteil
noch nicht ausreichend
demonstriert werden
 Wenig Informationen über
Langzeitverhalten und
Lebensdauer
Sommersemester 2011

1. Grundlagen der Verbrennung

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