Analyse zyklischer Variationen in Verbrennungsmotoren mit Hilfe zeitaufgelöster tomographischer Particle-Image Velocimetry

• Antragsteller: Dr.-Ing. Michael Klaas
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327875125

Bei der Weiterentwicklung moderner Verbrennungsmotoren steht die Steigerung der Energieeffizienz bei einer gleichzeitigen Verringerung der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs im Mittelpunkt der Forschung. Neuartige Verbrennungskonzepte wie die kontrollierte Selbstzündung (CAI) und die homogene Kompressionszündung (HCCI) setzen eine homogene Durchmischung des Brennstoff-Luft-Gemisches während des Einlass- und Verdichtungstaktes und somit vor der Zündung voraus. Die während dieser Arbeitstakte entstehenden dreidimensionalen instationären großskaligen Strömungsstrukturen im Zylinder unterliegen hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Entwicklung Schwankungen von Zyklus zu Zyklus (cycle-to-cycle variations, CCV). Einerseits sind die Ursachen dieser zyklischen Variationen sowie die Einflussgrößen, die bei ihrer Entstehung eine signifikante Rolle spielen, bisher noch nicht vollständig erforscht. Andererseits ist die Vermeidung der zyklischen Variationen bzw. ihre gezielte Beeinflussung eine unabdingbare Voraussetzung, um die obigen Verbrennungskonzepte erfolgreich anwenden zu können. Zur detaillierten Analyse der dreidimensionalen und zeitabhängigen zyklischen Variationen im Inneren eines Verbrennungsmotors ist es daher unerlässlich, das Strömungsfeld volumetrisch mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung experimentell zu bestimmen. Ziel dieses Vorhabens ist es, die Anwendbarkeit der zeitaufgelösten, tomographischen Particle-Image Velocimetry (HS-TPIV) für die Analyse der CCV nachzuweisen, indem die strömungsphysikalischen Mechanismen bei der Entstehung der zyklischen Variationen während der ersten beiden Arbeitstakte, d.h., im Ansaug- und Kompressionstakt, systematisch zeitaufgelöst und volumetrisch für einen exemplarischen Parameterraum mit definierten Einlassbedingungen untersucht werden. Hierfür wird das dreidimensionale instationäre Geschwindigkeitsfeld im Brennraum des Motors bei realistischen Drehzahlen und vorgegebenen Einlassdrücken und Einlasstemperaturen experimentell erfasst und analysiert, indem POD-basierte Algorithmen zur Detektion von zyklischen Schwankungen auf Basis von Modenanalysen entwickelt und auf diesen Fall angewendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder