Grundlagen der Verbrennung

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1 Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Luftbedarf und Luftverhältnis Gemischheizwert Chemisches Gleichgewicht Zusammensetzung und Stoffgrößen des Verbrennungsgases Umsetzungsgrad Reaktionskinetik Zündprozesse Flammenausbreitung Brennstoffzelle

2 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.

3 Reaktionskinetik Radikalkettenreaktionen Ketteneinleitung Reaktive Spezies (Radikale) werden aus stabilen Spezies gebildet Reaktions- Kettenmechanismus Kettenabbruch Reaktive Teilchen reagieren zu stabilen Molekülen (z.b. an Gefäßwänden oder in der Gasphase) Kettenfortpflanzung Reaktive Teilchen reagieren mit stabilen Spezies unter Bildung eines anderen reaktiven Teilchens Kettenverzweigung Reaktives Teilchen reagiert mit stabilem Molekül unter Bildung zweier neuer reaktiver Teilchen

4 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 k E a A exp RT

5 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] A p B n T e A...präexponentieller Faktor [ms bar n ] p...druck[bar] n...druckexponent B...Faktor, proportional der Aktivierungsenergie [K]

6 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): 0,01768 OZ 100 3,402 p 1,7 e 3800 T

7 Zündprozesse Zündgrenzen und Zündbedingungen Selbstzündung Energie zur Initialisierung einer Verbrennung stammt aus einer Kompression Fremdzündung (Induzierte Zündung) 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.

8 Flammenausbreitung 1. Grundlagen der Verbrennung 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 Brennstoff und Oxidationsmittel weitgehend homogen vorgemischt Flammenfront verläuft durch den Brennraum, hinter ihr entsteht die verbrannte Zone Vorgemischtes Gemisch verbrennt im Fall von HC oberhalb der Rußgrenze Bläuliches Leuchten durch Lichtemission von CH und C 2 Nicht-vorgemischte Verbrennung Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel erst während der Verbrennung Komplexerer Vorgang, da Vermischung und Verbrennung gleichzeitig ablaufen Gelbliches Leuchten aufgrund der Strahlung glühender Rußteile

9 Flammenausbreitung Detonation Hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit (> 1000 m/s) (hohe Schallgeschwindigkeit im verbrannten Gas) Flammenausbreitung wird durch Druckwelle bewirkt Aufrechterhaltung der Druckwelle durch chemische Reaktion und damit verbundene Wärmefreisetzung Deflagration Normale Flammenfortpflanzung, bedingt durch chemische Reaktion und molekulare Transportprozesse Die Flammenfrontgeschwindigkeit ist kleiner als die Schallgeschwindigkeit

10 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 v L, welche abhängig ist von: Jeweiligem Gemisch Druck Anfangstemperatur Wenn v L < v u : Flamme hebt ab Daher muss für die flache Flamme gelten: v L v u Kurz vor dem Abheben der Flamme ist v L v u, sodass sich angenähert laminare Flammengeschwindigkeiten messen lassen v L...laminare Flammengeschwindigkeit v u...anströmgeschwindigkeit des Frischgases

11 Flammenausbreitung Die laminare Flammengeschwindigkeit v fl der meisten Kohlenwasserstoff-Luft- Gemische liegt um 40 cm/s, sie steigt mit der Temperatur und sinkt mit zunehmendem Druck.

12 Flammenausbreitung Verläufe der laminaren Flammengeschwindigkeiten verschiedener Brennstoffe in Abhängigkeit vom Luftverhältnis l bzw. von dessen Kehrwert

13 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 Re t und die turbulente Damköhler-Zahl Da: Re t vl v...mittlere Schwankungsgeschwindigkeit l I...integrale Länge...kinematische Zähigkeit des Fluids I Da I I...turbulente integrale Zeit ch...zeitskala der chemischen Reaktionen ch

14 Flammenausbreitung

15 Flammenausbreitung Auffaltung der laminaren Flammenfronten mit zunehmender Turbulenz Zunehmende Turbulenz Verbreiterung der Reaktionszone Bei Annahme der Ausdehnung der laminaren Flammenfront A l mit laminarer Flammengeschwindigkeit v fl gilt mit Einführung von A t und v t : ρ u v t A t ρ u v l A l Für nicht zu große Turbulenzintensität gilt für das Flächenverhältnis von laminarer zu turbulenter Flammenfront nach Damköhler: A A l t 1 v v l

16 Flammenausbreitung Damit ergibt sich folgende Abhängigkeit der turbulenten Flammengeschwindigkeit v t von der laminaren Flammengeschwindigkeit v fl und der turbulenten Schwankungsgeschwindigkeit im unverbrannten Gas v': v t v fl v v fl v 1 v fl Für das in die Flamme eingebrachte Gemisch gilt: dm dt ein v u t A t 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.

17 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

18 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

19 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

20 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)

21 Flammenausbreitung Flammendiagnostik mittels tomographischer Verfahren Tomographic Combustion Analysis TCA 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 1. Grundlagen der Verbrennung Korrekte geometrische Abbildung komplexer Flammengeometrien

22 Flammentomographie Anwendung am Einzylinder-Forschungsmotor Aufbau auf Zylinderblock Ausfräsungen am Feuerring 3. März 2011 Folie 22

23 Flammentomographie Ergebnisse Flammenausbreitung: Drallvariation IMEP 14bar, ZZP 27 v.ot, 500 mg/m n ³ NOx KW Stabilisierung der Verbrennung durch Drallerhöhung Flammenausbreitung Richtung AV EVIV AV EV Flachkolben, Drall 0 Flachkolben, Drall 2 EV AV 3. März 2011 Folie 23

24 Flammentomographie Ergebnisse Flammenintensität: Drallvariation IMEP 14bar, ZZP 27 v.ot, 500 mg/m n ³ NOx 120 Drall 0 10 Intensität Drall KW Kompaktere und symmetrischere Flamme durch Erhöhung des Drallniveaus schnellere Verbrennung 3. März 2011 Folie 24

25 Flammentomographie Ergebnisse Flammenausbreitung: Kolbenvariation IMEP 14bar, ZZP 27 v.ot, 500 mg/m n ³ NOx KW starke Verdichtung der Isolinien im Bereich der Mulde Verzögerung der Flammenausbreitung in den Quetschspalt Flachkolben, Drall 2 Muldenkolben, Drall 2 3. März 2011 Folie 25

26 Flammentomographie Ergebnisse Flammenintensität: Kolbenvariation IMEP 14bar, ZZP 27 v.ot, 500 mg/m n ³ NOx Flachkolben Muldenkolben Intensität 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 3. März 2011 Folie 26

27 Lokale Lichtintensitätsmessungen Einbauposition der optischen Sensoren 24mm Auslassventile IV EV 41mm 69mm 89mm 90mm Einlassventile 5 Sensoren parallel zur Zylinderachse gute Verteilung in radialer Richtung und am Brennraumrand 3. März 2011 Folie 27

28 Lokale Lichtintensitätsmessungen Zylinderdruck [bar] OH-Intensität [-] Ergebnisse Vorkammerkonzept, Muldenkolben PM1 PM2 PM3 PM4 PM5 Zylinderdruck Heizverlauf Kurbelwinkel [ KW] Heizverlauf [kj/m³ KW] Heizverlauf [kj/m3grd] 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 3. März 2011 Folie 28

29 Lokale Lichtintensitätsmessungen OH-Intensität [-] Zylinderdruck [bar] Ergebnisse Direktzünder, Muldenkolben PM1 PM2 PM3 PM4 PM5 Heizverlauf Pzylmittel Heizverlauf Heizverlauf [kj/m3grd] [kj/m³ KW] Durchlaufende Flammenfront, ausgehend von der Zündkerze Niedrigere Intensitäten Längere Brenndauer gegenüber Vorkammerkonzept Gute Korrelation der Einhüllenden der optischen Signale mit dem globalen Heizverlauf Kurbelwinkel [ KW] 3. März 2011 Folie 29

30 Lokale Lichtintensitätsmessungen 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 3. März 2011 Folie 30

31 Lokale Lichtintensitätsmessungen Verifikation 3D CFD Simulation: Direktzünder Heizverlauf [kj/m³deg] EVIV AV EV Messposition1 Simulation [-] OH-Signal [-] Messposition2 Messposition3 Messposition4 Messposition Kurbelwinkel [ KW] Messung Simulation 3. März 2011 Folie 31

32 Flammenausbreitung Vorkammer Eingesetzte Messtechnik Adapter mit eingebauten Lichtleitern Ansicht Brennraumseitig Sensor mit Zündkerze, Druck- und Temperatursensor Gesamtansicht 3. März 2011 Folie 32

33 Flammenausbreitung Vorkammer Sensorapplikation 3. März 2011 Folie 33

34 Flammenausbreitung Vorkammer 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 3. März 2011 Folie 34

35 Flammenausbreitung Vorkammer Ergebnisse einer ZZP Variation, IMEP 14bar Innen Außen 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 3. März 2011 Folie 35

36 Flammenausbreitung Vorkammer Ergebnisse 3D-CFD Simulation 18 v.ot 17 v.ot 16 v.ot 15 v.ot 14 v.ot 13 v.ot 12 v.ot 11 v.ot 10 v.ot 9 v.ot Flammenankunft ca. 10 KW v.ot März 2011 Folie 36

37 Flammenausbreitung Vorkammer Detektion von Verbrennungsanomalien: Glühzündungen 7 8 Reguläre Verbrennung Glühzündungen Innen Außen Zündkerzenausrichtung Ähnliche Flammenausbreitungsbilder wie mit Funkenzündung Entzündungsbereich innerhalb des inneren Sensorkreises Wahrscheinlicher Zündort: Massebügel der Zündkerze 3. März 2011 Folie 37

38 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.

39 Flammenausbreitung 1. Grundlagen der Verbrennung 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).

40 Flammenausbreitung Theorien zu Entstehung und Ablauf des Phänomens Klopfens Verdichtungstheorie Kolbenverdichtung und Kompressionswirkung der Flammenfront bewirken im Endgasbereich der Selbstzündungszustand Der Zustand wird an jenen Stellen erreicht, wo Gemischzusammensetzung und Temperatur eine geringe Zündenergie erfordern. Durch die von den einzelnen Selbstzündungsherden ausgehenden Druckwellen erfolgt eine plötzliche Verbrennung des Endgases. Detonationstheorie Aufsteilung der Druckwellen, die von der normalen Flammenfront ausgehen, bewirkt Stoßwellen Erreichen von Selbstzündungsbedingunge n in der Stoßfront (Zündung 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

41 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

42 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

43 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.

44 Flammenausbreitung Modellierung des Klopfens Phänomenologische Ansätze Berechnung des Selbstzündverzugs Chemisch fundierte Modelle Beschreibung der ablaufenden chemischen Reaktionen oder relevanter Parameter der Detonation wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Druck und Temperatur

45 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: t SZ t0 dt 1...Selbstzündungszeit (abh. von p, T für bestimmten Kraftstoff) t...zeit ab der Kompression des Endgases t SZ...Zeitpunkt der Selbstzündung

46 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: 0,01768 OZ 100 3,402 p 1,7 e 3800 T Von entscheidender Bedeutung für die Rechnung ist eine entsprechend feine Auflösung des inhomogenen Temperaturfelds im Brennraum, das durch Strömungseffekte und Wärmeübergang bestimmt ist.

47 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.

48 Flammentomographie Ergebnisse Klopfuntersuchung: Kolbenvariation DZ deg CA deg CA Position Flammenfront Deutlicher Zusammenhang zwischen den zuletzt von der Flammenausbreitung erfassten Zonen und den Klopforten an der Klopfgrenze Klopfausgangspunkte beim Muldenkolben liegen wahrscheinlich am Muldenboden 22% 20 % 0 25% 20 % 0 Klopfwahrscheinlichkeit große Bedeutung der Verbrennungssimulation zur rechnerischen Bestimmung von Klopforte Klopforten mittels 3D-CFD Muldenkolben Flachkolben ZZP -30, IMEP 15bar ZZP -30, IMEP 15bar 3. März 2011 Folie 48

49 Anwendung Entwicklungsmethodik CFD-Simulation Basiskolben Basiskolben Optische Verbrennungsdiagnose Optimierte Variante Optimierte Variante 3. März 2011 Folie 49

50 Betriebsbereich Basis fett Luftverhältnis mager Aussetzergrenze TA Luft Klopfgrenze Basiskolben Indizierter Mitteldruck 3. März 2011 Folie 50

51 Betriebsbereich optimiert fett Luftverhältnis mager Aussetzergrenze TA Luft Klopfgrenze Basiskolben optimierte Variante Indizierter Mitteldruck 3. März 2011 Folie 51

52 Nicht-vorgemischte Verbrennung Nicht-vorgemischte Verbrennung 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

53 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 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

54 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.

55 3D-CFD Methode Dieselmotor 3. März 2011 Folie 55

56 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.

57 Brennstoffzelle An der Brennstoffelektrode (Anode) reagiert der Wasserstoff mit negativ geladenen OH-Ionen zu Wasser wobei 2 Elektronen abgegeben werden: H OH 2H2O 2e Die 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 OH- Ionen: H O O2 2e 2OH Der Kreis wird geschlossen durch den Transport der OH-Ionen durch den Elektrolyten. Die Gesamtreaktion, bei der ein Strom von 2e - je Molekül H 2 fließt, lautet: 1 O 2 H2 2 2 H O

58 Brennstoffzelle Brennstoffzelle Elektrolyt Ladungsträger Betriebstemperatur Anwendung AFC (Alkaline Fuel Cell) 35-50% KOH OH C Raumfahrt, Fahrzeuge PEFC (Polymer Elektrolyte FC) PAFC (Phosphoric Acid FC) Polymermembran H C Raumfahrt, Fahrzeuge Phosphorsäure H C Kleinkraftwerke MCFC (Molten Carbonat FC) SOFC (Solid Oxide FC) Karbonatschmelze CO C Kraftwerke Zirkondioxid O C Kraftwerke

59 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 mitt2 50C T 1

60 Brennstoffzelle Brennstoffe für Brennstoffzellen Brennstoff Gesamtreaktion n el - H 0 [kj/mol] - G m 0 [kj/mol] E 0 [V] th [%] Wasserstoff 1 O 2 H2 2 2 H O 2 286,0 237,3 1,23 83,0 Methan CH4 2O2 CO2 2H2O 8 890, ,06 91,9 Methanol 1 CH3OH O2 CO2 2H2O ,6 702,5 1,21 96,7 Kohlenstoff C O 2 CO ,7 394,6 1,02 100,2

61 Brennstoffzelle Thermodynamischer (idealer) Wirkungsgrad der Brennstoffzelle Der thermodynamische Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist das Verhältnis der produzierten elektrischen Energie G zur Reaktionsenthalpie der Zellreaktion th ΔG ΔH 1 T ΔS ΔH E 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 0 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 E T 0 de dt 0

62 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.

63 Brennstoffzelle Vorteile Wirkungsgrad ist nicht durch den Carnot-Prozess begrenzt Keine Emissionen von Schadstoffen oder Lärm Bei Wasserstoff als Brennstoff auch keine CO 2 -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

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