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 Folie 1

2 Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Luftbedarf und Luftverhältnis Gemischheizwert Chemisches Gleichgewicht Zusammensetzung und Stoffgrößen des Verbrennungsgases Umsetzungsgrad Reaktionskinetik Zündprozesse Flammenausbreitung Brennstoffzelle Folie 2

3 Gemischheizwert Zusammenhang Gemischheizwert / effektiver Mitteldruck: 1. Grundlagen der Verbrennung Für den Mitteldruck gilt: p me W V e H Arbeit je Arbeitsspiel Hubvolumen Der effektive Wirkungsgrad ist definiert mit η e W Q e B effektiv gewonnene Arbeit zugeführte Brennstoffenergie Für die zugeführte Brennstoffenergie gilt: Q B λ a V H H G Daraus ergibt sich für den Mitteldruck durch Umformung: H G...Gemischheizwert in kj/m 3 p me λ a H G e a...luftaufwand (Frischgasaufwand), Liefergrad e...effektiver Wirkungsgrad Folie 3

4 Gemischheizwert Diejenige Energie, die mit 1 m 3 Frischladung bezogen auf den Außenzustand in den Zylinder eingebracht werden kann. Bei gemischansaugenden Motoren (Ottomotoren) wird der Gemischheizwert auf 1 m 3 Gemisch, bei luftansaugenden Motoren auf 1 m 3 Luft bezogen. Gemischansaugende Motoren Es gilt die Beziehung: Setzt man in diesem Ausdruck und weiters für V H G m H L G G mb H V m L G G L u m so ergibt sich für den Gemischheizwert des gemischansaugenden Motors: st Hu L st B m B G 1 H G...Gemischheizwert in kj/m 3 H u...heizwert in kj/kg m B...Brennstoffmasse in kg m L...Luftmasse in kg V G...Volumen des Gemisches in m 3 G...Dichte des Gemisches in kg/m 3...Luftverhältnis L st...stöchiometrischer Luftbedarf in kg/kg Folie 4

5 Gemischheizwert Luftansaugende Motoren Es gilt die Beziehung: Setzt man in diesem Ausdruck und weiters für H G mb H V ml VL m L L L L st u m B H G...Gemischheizwert in kj/m 3 H u...heizwert in kj/kg m B...Brennstoffmasse in kg m L...Luftmasse in kg V L...Volumen der Luft in m 3 L...Dichte der Luft in kg/m 3...Luftverhältnis L st...stöchiometrischer Luftbedarf in kg/kg so ergibt sich für den Gemischheizwert des luftansaugenden Motors: H G Hu L L st Folie 5

6 Gemischheizwert Beispiel: Berechnung bei =1 für verschiedene Brennstoffe Heizwert H u [kj/kg] Dichte [kg/m 3 ] L st [kg / kg Bst.] Dichte Gemisch G [kg/m 3 ] Benzin * ,5 1,3818 Dichte Luft L [kg/m 3 ] Gemischansaug. Luftansaugend H G [kj/m 3 ] H G [kj/m 3 ] 3.655, ,50 Diesel ,5 1, , ,82 Erdgas ** ,83 13,1 1,2436 1, , ,71 Methan ,72 17,2 1, , ,14 Wasserstoff ,09 34,2 0, , ,14 Bezogen auf Benzin: Gemischansaugend Luftansaugend H G /H G Benzin H G /H G Benzin Benzin * 100% 100% Diesel 104,88% 104,88% Erdgas ** 92,42% 103,40% Methan 93,10% 102,81% * Eurosuper 95 Oktan ** sehr stark von der Zusammensetzung abhängig Wasserstoff 87,40% 124,09% Folie 6

7 Gemischheizwert Gemischheizwerte bei = 1 für verschiedene Brennstoffe Folie 7

8 Grundlagen der Verbrennung Brennstoffe Luftbedarf und Luftverhältnis Gemischheizwert Chemisches Gleichgewicht Zusammensetzung und Stoffgrößen des Verbrennungsgases Umsetzungsgrad Reaktionskinetik Zündprozesse Flammenausbreitung Brennstoffzelle Folie 8

9 Motorprozessrechnung 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Grundgleichungen Der Brennraum stellt ein instationäres, offenes System dar, in dem alle Größen zeitlich wie örtlich stark veränderlich sind. Prozesse während eines Arbeitsspiels: Stofftransport über die Systemgrenzen Einströmende Gasmasse dm e Ausströmende Gasmasse dm a Leckage dm Leck Brennstoffmasse dm B Energietransport Zugeführte Brennstoffwärme dq B Abgabe von Wärme und Arbeit (dq W, dw) vom Arbeitsgas Änderung der inneren und äußeren Energien Folie 9

10 Motorprozessrechnung 3. Arbeitsprozess Analyse und Simulation Energieerhaltung Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik für offene Systeme gilt für den Brennraum: p d V d d QB d d Q d m d m d m d U d W E A Leck he ha ha d d d d Volumsänderungs Brennverlauf Wandwärmearbeit strom Heizverlauf Massenstromenthalpie Leckagemasse innere Energie Volumenänderungsarbeit: abgegebene technische Arbeit, die sich als Produkt aus dem momentanen Zylinderdruck und der Änderung des Zylindervolumens ergibt. Heizverlauf (zugeführte Wärme): Diese setzt sich zusammen aus der freigesetzten Brennstoffwärme, dem Brennverlauf sowie der abgeführten Wandwärme. Enthalpieströme von ein- und ausströmender Masse sowie der Leckage: äußere Energien sowie die Enthalpie der bei luftansaugenden Motoren zugeführten Brennstoffmasse werden vernachlässigt Änderung der inneren Energie im Brennraum Folie 10

11 Brennverlaufsbestimmung Folie 11

12 Zusammensetzung Verbrennungsgas Verbrennungsgas bei vollständiger Verbrennung Berechnung der Zusammensetzung des Verbrennungsgases aus der chemischen Bruttoreaktionsgleichung: Am Beispiel eines Kohlenwasserstoffs C x H y O z lautet die stöchiometrische Reaktionsgleichung für 1 kmol C x H y O z : C x H O y z x y 4 z 2 y 2 z 2 O2 3,76 N2xCO2 H2O 3,76 x N2 y 4 Stöchiometrischer Luftbedarf L st 4,76 x y 4 z 2 kmol Luft/kmol Brennstoff (B) Folie 12

13 Zusammensetzung Verbrennungsgas Produkte der vollständigen Verbrennung Diese treten in hohen Konzentrationen auf: Stickstoff (N 2 ) Hauptkomponente im Abgas, wird jedoch fast nie gemessen, sondern gegebenenfalls aus der Gesamtbilanz berechnet. Sauerstoff (O 2 ) Tritt vor allem bei Luftüberschuss auf, wird häufig gemessen. Kohlendioxid(CO 2 ) Hat bei =1 ein Maximum, wird häufig gemessen Wasser (H 2 O): Tritt bei durchschnittlichen Kraftstoffen in etwa gleicher Konzentration wie CO 2 auf. Wird meist vor den Analysegeräten ganz oder teilweise ausgeschieden und fast nie gemessen. Folie 13

14 Zusammensetzung Verbrennungsgas Produkte der unvollständigen Verbrennung Diese treten vor allem bei Luftmangel ( < 1) auf, in niedrigeren Konzentrationen auch bei Luftüberschuss ( > 1). Kohlenmonoxid (CO): muss bei Luftmangel jedenfalls berücksichtigt werden wird meistens gemessen. Wasserstoff (H 2 ): Sollte bei Luftmangel berücksichtigt werden, wird jedoch fast nie gemessen muss daher aus dem Wassergasgleichgewicht berechnet oder in Relation zu CO angenommen werden. Folie 14

15 Zusammensetzung Verbrennungsgas Kohlenwasserstoffe (HC): Die chemische Zusammensetzung der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe ist derjenigen des Brennstoffs meist ähnlich, es sind aber auch umgewandelte und teilweise oxidierte Komponenten enthalten. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe nehmen in Sonderfällen (Zweitakt-Ottomotoren, Zündaussetzer) hohe Werte an. Die Kohlenwasserstoffe werden zur Beurteilung der Umweltbelastung häufig gemessen. In der Abgasmesstechnik werden die Konzentrationen meist als CH 1,87 angegeben und der Sauerstoffgehalt der Kohlenwasserstoffe vernachlässigt. Ruß (C): Vor allem im Abgas von Dieselmotoren in Form von Partikeln. Ruß wird bei Dieselmotoren in der Regel gemessen Verwendung von optischen und gravimetrischen Messverfahren Umrechnung von optischen Einheiten in gravimetrische Einheiten erforderlich Folie 15

16 Zusammensetzung Verbrennungsgas Sonstige Komponenten in niedriger Konzentration Stickoxide (NO X ): Im Abgas von Verbrennungsmotoren tritt vor allem Stickstoffmonoxid (NO) auf und nur wenig Stickstoffdioxid (NO 2 ). Die Stickoxide entstehen insbesondere bei hohen Temperaturen und werden zur Beurteilung der Umweltbelastung häufig gemessen. Schwefelverbindungen Der im Brennstoff vorhandene Schwefel wird größtenteils als Schwefeldioxid (SO 2 ) emittiert. Der Schwefelgehalt der meisten Kraftstoffe ist so niedrig, dass eine SO 2 -Messung fast nie durchgeführt wird. Falls erforderlich, kann die SO 2 -Konzentration aus dem Schwefelgehalt des Brennstoffs berechnet werden. Folie 16

17 12. Abgasanalyse Schadstoffkomponenten Beschreibung der Schadstoffkomponenten Abgaszusammensetzung (Beispiel Ottomotor ohne Katalysator) N % O 2 0.7% H 2 O 9.2% 0.001% Partikel 0.109% NOx 0.090% HC CO % Schadstoffe 1.1% 0.900% CO Folie 17

18 Zusammensetzung Partikel Dieselmotor Schmieröl löslich 29% SO 4 und H 2 O 13% Partikel Filterpore Kraftstoff löslich 10% Schmieröl unlöslich 5% Kraftstoff unlöslich (Ruß) 43% Folie 18

19 Partikelmessung 12. Abgasanalyse Definitionen Partikel gemäß der EPA- Definition: (Environmental Protection Argency) Partikel sind all jene Stoffe, die an einem teflon-beschichteten Glasfaserfilter oder an einem Teflon- Membranfilter abgeschieden werden, das von verdünntem Abgas mit einer Temperatur unter 52 C durchströmt wird Unterscheidung der Partikel zwischen Primär-Partikel Vom Motor direkt emittierte Partikel Sekundär-Partikel Partikel die in der Atmosphäre aufgrund verschiedenen Reaktionen der Abgaskomponenten miteinander entstehen Zwei Möglichkeiten den Abgasstrom auf die Temperatur von 52 C zu senken Vollstromverdünnung Gesamter Abgasstrom wird mit Frischluft verdünnt Teilstromverdünnung Nur ein definierter Teil des Abgasstromes wird zur Verdünnung aus dem Gesamtabgasstrom abgezogen Folie 19

20 Zusammensetzung Verbrennungsgas Verbrennungsgas bei vollständiger Verbrennung Berechnung der Zusammensetzung des Verbrennungsgases aus der chemischen Bruttoreaktionsgleichung: Am Beispiel eines Kohlenwasserstoffs C x H y O z lautet die stöchiometrische Reaktionsgleichung für 1 kmol C x H y O z : C x H O y z x y 4 z 2 y 2 z 2 O2 3,76 N2xCO2 H2O 3,76 x N2 y 4 Folie 20

21 Zusammensetzung Verbrennungsgas Die Zusammensetzung des stöchiometrischen Verbrennungsgases liefert: n N2 n CO2 n H2 O x y 2 3,76 x n VG, st kmol CO 2 /kmol B n kmol H 2 O/kmol B y 4 CO z 2 n kmol N 2 /kmol B n 2 H2O N2 Bei Luftüberschuss kommt dazu noch die unverbrauchte Luft n Lu : n Lu 1 Lst Diese Luft besteht aus den Komponenten N 2 /O 2 = 0,79/0,21, was bei chemischen Analysen beachtet werden muss. Für die Berechnung der thermodynamischen Stoffgrößen kann jedoch die Luft als eine Komponente betrachtet werden. Folie 21

22 Zusammensetzung Verbrennungsgas Allgemein kann nun der Molanteil der Komponente i im Verbrennungsgas nach berechnet werden: Für die molare Masse gilt: v i n i n VG M v i M VG n i 1 i i...molanteil der Komponente i n i...molzahl der Komponente i n VG...Molzahl des Verbrennungsgases M i...molare Masse der Komponente i M VG...Molare Masse des Verbrennungsgases Damit können die Stoffgrößen des Verbrennungsgases berechnet werden. Für die spezifische Gaskonstante des Verbrennungsgases R VG gilt: R VG R M m VG Folie 22

23 Zusammensetzung Verbrennungsgas Für die molare innere Energie und die molare Enthalpie des Verbrennungsgases folgt: bzw. U H m m n i 1 n i 1 Die molaren Werte der Komponenten können z. B. mit Hilfe der mittleren molaren Wärmekapazitäten ermittelt werden: v i U v i H mi mi bzw. U C T u T mi mvi T 0 u 0 H C T h T T T mi mpi T 0 h0 U mi...innere Energie der Komponente i bezogen auf T u0 H mi...enthalpie der Komponente i bezogen auf T h0 C mvi...mittlere molare Wärmekapazität (v=const.) von i zwischen T u0 und T C mpi...mittlere molare Wärmekapazität (p=const.) von i zwischen T h0 und T Innere Energie und Enthalpie des Verbrennungsgases sind eine Funktion von T und Eine Druckabhängigkeit tritt bei vollständiger Verbrennung nicht auf Bei Variation von bei gegebenem Brennstoff ist es vorteilhaft, das Verbrennungsgas als Gemisch von Verbrennungsgas (mit =1) und der Überschussluft zu betrachten Folie 23

24 Zusammensetzung Verbrennungsgas Verbrennungsgas bei chemischem Gleichgewicht Bei sehr hohen Temperaturen und vor allem bei Luftmangel kann die Zusammensetzung des Verbrennungsgases nur über das chemische Gleichgewicht unter Berücksichtigung der Dissoziation ermittelt werden. Folie 24

25 Dissoziation Die Dissoziation der Verbrennungsgase infolge innermolekularer Vorgänge macht sich bei Temperaturen über 1800 K bemerkbar. Das Gas speichert Energie in Form verschiedener Bewegungszustände, wodurch es bei hohen Temperaturen zur Aufspaltung der Moleküle in Atome und Atomgruppen (Radikale) kommt. Einstellung eines chemischen Gleichgewichtes zwischen wechselseitigen Zerfalls- und Verbindungsreaktionen Die Dissoziation ist ein endothermer Prozess, der die Temperatur des Verbrennungsgases absenkt. Folie 25

26 Dissoziation Die Produkte eines C-H-O Systems können nach folgenden Gleichgewichtsreaktionen dissoziieren: CO2 H2 CO H2O 2H O H2 2 2H O. 2OH 2 2H2 O2 2CO 2CO H 2 O 2 2 O 2 2H 2O Der Punkt über der Spezies kennzeichnet ein aktives Radikal Bei Abkühlung unter 1500 K sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit so weit ab, dass ein Einfrieren der Gleichgewichtszusammensetzung angenommen wird. Die Zusammensetzung ändert sich bei einer weiteren Temperatursenkung nicht mehr Folie 26

27 Chemisches Gleichgewicht Jede Reaktion kann grundsätzlich in zwei Richtungen ablaufen Für die Hin- und Rückreaktion gilt: n A A n B B... n E E n F F... Chemisches Gleichgewicht zwischen den Reaktionspartnern besteht, wenn sich die einzelnen Komponenten entsprechend den Zustandsgrößen des Gasgemisches in Konzentrationen einstellen, die sich auch bei unendlich langer Zeit nicht mehr ändern. Folie 27

28 Chemisches Gleichgewicht Wie beim thermodynamischen Gleichgewichtszustand lautet die Bedingung für chemisches Gleichgewicht, dass sich bei der chemischen Reaktion in einem adiabaten System die Entropie nicht ändern darf: ds 0 Einführung der freien Enthalpie oder Gibbs-Energie als geeignete praxisgerechte thermodynamische Zustandsgröße zur Formulierung praktikabler Gleichgewichtsbedingungen: G H T S H...Enthalpie T...Temperatur S...Entropie Folie 28

29 Chemisches Gleichgewicht Die Einstellung des chemischen Gleichgewichtes ist ein typischer reversibler Prozess, sodass sich die freie Enthalpie nicht ändern darf: dg 0 Für G < 0 hat die Reaktion das Bestreben, tatsächlich in diese Richtung abzulaufen Für G > 0 läuft die Reaktion spontan nur in der umgekehrten Richtung ab Reaktionen tendieren also zu kleineren Werten der freien Enthalpie, bis sich chemisches Gleichgewicht einstellt, bei dem das Minimum von G erreicht ist. Folie 29

30 Chemisches Gleichgewicht Für die praktische Berechnung der freien Enthalpie (abhängig von Druck p und Temperatur T) wird folgende Beziehung angewandt: G 0 T, p ng T m n R m T ln p p 0 G 0 m...molare freie Enthalpie in J/kmol beim Standarddruck p 0 n...molzahl R m...allgemeine Gaskonstante (R m = 8.314,3 J / kmol K) p 0...Standarddruck (meist p 0 =1 atm=1,01325 bar) Folie 30

31 Chemisches Gleichgewicht Für ein Gemisch idealer Gase gilt (Darstellung als Summe der freien Enthalpien der einzelnen Komponenten): G i n i G mi i n i G 0 mi R m T i n i ln p p i 0 G mi...molare freie Enthalpie der Komponente i G 0 mi...molare freie Enthalpie der Komponente i beim Standarddruck p 0 p i...partialdruck der Komponente i p 0...Standarddruck (meist p 0 =1 atm=1,01325 bar) Folie 31

32 Chemisches Gleichgewicht Berechnung als Differenz der freien Enthalpien der End- und Anfangsprodukte G G Endprodukt G e Anfangsprodukte Folie 32

33 Chemisches Gleichgewicht Praktische Berechnung der freien Reaktionsenthalpie: Definition von G 0 m als molare freie Reaktionsenthalpie in J/mol bezogen auf 1 kmol z.b. des Ausgangsprodukts A beim Standarddruck p 0 für die betrachtete chemische Reaktion: G 0 G 0... G 0 G 0... st E me st F mf st A ma st B mb G 0 0 Δ ΔG m Damit lässt sich die auf 1 kmol eines Reaktionspartners bezogene freie Reaktionsenthalpie beliebiger chemischer Reaktionen darstellen: 0 T, p n ΔG T A m R m T n A ln E p p p n E Δn 0 p A,p E...Partialdrücke der Komponenten A,E,... n A nf pf... A nb p... n...differenz der Molzahlen n=(n E +n F +...)-(n A +n B +...) p 0...Standarddruck B i G sti mi Folie 33

34 Chemisches Gleichgewicht Setzt man die Bedingung für chemisches Gleichgewicht G = 0 ein, erhält man den Ausdruck pi i p0 n Δ Gm Rm T e Den linken Termin definiert man als Gleichgewichtskonstante K p bei konstantem Druck: ni ne nf p i pe pf... K p i Δ n na nb p 0 p0 pa pb... Als Bezugsdruck wird in der Regel der Standarddruck p 0 =1 atm gewählt. Für chemisches Gleichgewicht gilt somit: i 0 Kp e Δ Gm R T m 0 Folie 34

35 Chemisches Gleichgewicht Bei einer gegebenen Temperatur sind die Drücke den Konzentrationen proportional, sodass für die auf Konzentrationen bezogene Gleichgewichtskonstante K c mit der Bezugskonzentration 1 gilt: K c ne nf E F... na nb A B... A,B,E,F...Konzentration der Komponenten A,B,E,F Die freien Enthalpien der Komponenten sind Funktionen der Temperatur, sodass auch die freie Reaktionsenthalpie G 0 und in weiterer Folge die Gleichgewichtskonstanten K c und K p reine Temperaturfunktionen sind Die freie Enthalpie bzw. die Gleichgewichtskonstante sind in Tabellen zu finden. Folie 35

36 Zusammensetzung Verbrennungsgas Verbrennungsgas bei chemischem Gleichgewicht Zur Berechnung der Gleichgewichtszusammensetzung gilt folgendes: Bestimmung der Anzahl der relevanten vorkommenden Komponenten (Spezies) n zur Berechnung der Gleichgewichtszusammensetzung eines Gasgemischs Auswahl jener m Komponenten aus diesen Spezies, die nicht durch chemische Reaktionen umgewandelt werden können, also im Allgemeinen die Elemente. Aufstellung von m Erhaltungsgleichungen (Stoffbilanzen) für diese Elemente Bildung oder Verbrauch der übrigen Komponenten des Systems durch chemische Reaktionen. Für jede dieser (n-m) Reaktionen wird die chemische Gleichgewichtsbedingung formuliert. Dabei ist es gleichgültig, ob die betreffenden Reaktionen wirklich ablaufen oder ob die tatsächlichen Reaktionen anders verlaufen. Die Lösung des resultierenden nichtlinearen inhomogenen Gleichungssystems erfolgt durch Iteration mit Hilfe eines Computerprogramms. Folie 36

37 Zusammensetzung Verbrennungsgas Wassergasgleichgewicht Die wichtigste Gleichgewichtsreaktion bei Luftmangel und bei der Dissoziation bei hohen Temperaturen ist die Wassergasreaktion mit folgender Reaktionsgleichung: CO2 H2 CO H2O Folie 37

38 Zusammensetzung Verbrennungsgas Anstelle der Drücke können auch die Konzentrationen oder die Molzahlen gesetzt werden: K p K c K n n CO CO 2 n H n 2 H O 2 Folie 38

39 Zusammensetzung Verbrennungsgas Für die Stoffbilanzen (Atombilanzen) der drei beteiligten Elemente C, H und O gilt: Die Summe der Kohlenstoffatome und die Summe der Wasserstoffatome ist aus dem C/H-Verhältnis des Brennstoffs bekannt. Die Summe der Sauerstoffatome ergibt sich aus dem stöchiometrischen Sauerstoffbedarf und dem Luftverhältnis. n CO2 n CO 2n H 2 2O nh 2 2n nco H O CO 2 2 n C H O Damit stehen vier Gleichungen für die Molzahlen n CO2, n H2O, n CO und n H2 zur Verfügung, und das Gleichungssystem kann gelöst werden, wobei sich in diesem einfachen Fall eine gemischt-quadratische Gleichung ergibt. Für die Berechnung der molaren Konzentrationen muss noch durch die gesamte Molzahl unter Berücksichtigung des Stickstoffs, der bei der Reaktion unverändert bleibt, dividiert werden. Für einen durchschnittlichen Kraftstoff mit einem Atomverhältnis C:H = 1:2 ergibt sich: C 1 2 H O 3 Folie 39

40 Zusammensetzung Verbrennungsgas Starke Zunahme der Konzentration der unvollständig verbrannten Komponenten CO und H 2 mit kleiner werdendem Bei = 0,33 wird die Konzentration der vollständig verbrannten Komponenten CO 2 und H 2 O Null. Darunter reicht das Sauerstoffangebot nur mehr für die teilweise Oxidation zu CO aus, so dass es zwangsläufig zur Bildung von Russ kommen muss Diese Rußgrenze wird durch das Gleichgewicht bei heterogenen Reaktionen vor allem bei tiefen Temperaturen zu höheren - Werten verschoben. Im Luftmangelbereich wird die Sauerstoffkonzentration vernachlässigbar klein. Folie 40

41 Zusammensetzung Verbrennungsgas Heterogene Reaktionen Im Verbrennungsgas können vor allem die Komponenten Wasserdampf als flüssiges Wasser kondensieren und atomarer Kohlenstoff als Ruß sublimieren. Kondensation von Wasserdampf tritt nur bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (unter etwa 70 C) auf und braucht bei der normalen Verbrennungsrechnung nicht berücksichtigt zu werden, wohl aber bei starker Abkühlung im Abgassystem. Die Sublimation von atomarem Kohlenstoff als Ruß tritt bei extremem Luftmangel auf. Dieser Luftmangel kann örtlich in nicht-vorgemischten Flammen auftreten, bei denen die Mischung von Brennstoff und Luft erst während des Verbrennungsvorgangs stattfindet wie z. B. in Dieselmotoren. Folie 41

42 Einspritzkammer Konstruktionsmerkmale: Stahlgrundkörper mit verschraubtem Endflansch 4 optische Zugangsmöglichkeiten in die Kammer Flexible Montage des Injektors im Grundkörper über Adapter Gasversorgung aus Flaschen Integrierte Heizelemente Folie 42

43 Einspritzkammer Spezifikationen: Außendurchmesser [mm] 480 Gesamtlänge [mm] 554 Innendurchmesser [mm] 308 Innere freie Länge [mm] 382 Kammervolumen [l] 28.7 Kammerdruck max. [bar] 120 Gastemperatur max. [K] 1000 Elektrische Heizleistung [W] Anzahl der optischen Fenster Fensterdurchmesser [mm] Eingesetztes Gas Stickstoff Synthetische Luft Methan Folie 43

44 Selbstzündung von Dieselspray Kammerdruck: 50bar Kammertemperatur: 900K Einspritzdruck: 1000bar Einspritzdauer: 833µs Düse: 1 x x 0 Folie 44

45 Alternative Verbrennungsverfahren 10 Lokales Luftverhältnis [-] 1 Diesel Otto NOx Ruß 0, Lokale Flammentemperatur K Bildungsraten für NO und Ruß Folie 45

46 Alternative Verbrennungsverfahren 10 Lokales Luftverhältnis [-] 1 Alternative Verbrennungsverfahren NOx Ruß 0, Lokale Flammentemperatur K Folie 46

47 Alternative Verbrennungsverfahren Alternative Verbrennungsverfahren Erwünschte Verfahrensmerkmale: Homogene Ladung Hohes Verdichtungsverhältnis Keine Flammenfront oder Flammenschicht Homogene Selbstzündung, d.h. simultane Selbstzündung der gesamten (homogenen) Zylinderladung Folie 47

48 Alternative Verbrennungsverfahren Kraftstoffeignung Voraussetzungen für Homogenisierung: Niedrige Siedelage Ausreichend Zeit für Durchmischung Benzin besser geeignet als Dieselkraftstoff: Siedelage günstiger, damit schnellere Verdampfung Selbstzündungsneigung geringer, damit mehr Zeit für Homogenisierung Folie 48

49 Alternative Verbrennungsverfahren Nadelhub [mm] Diesel HCCI HCLI HPLI DCCS Brennrate [J/ KW] Kurbelwinkel [ KW] Folie 49

50 Alternative Verbrennungsverfahren Alternative dieselmotorische Brennverfahren HCCI-Verfahren Homogenious Charge Compression Ignition Spezielle Konfiguration Strahl - Brennraum Gemischbildung sehr schwierig Hoher AGR-Bedarf Verbrennungslage zu früh Hohe unverbrannte Abgasanteile DCCS-Verfahren Dilution Controlled Combustion System Standardkonfiguration Sehr hohe AGR-Raten Extrem niedrige Ladungstemperatur verhindert NOx- und Rußbildung Sehr hohe unverbrannte Abgasanteile HPLI-Verfahren Homogenious Primixed Late Injection Standardkonfiguration Spritzbeginn deutlich nach OT Spritzende vor Brennbeginn Moderate AGR-Raten Guter Wirkungsgrad HCLI-Verfahren Homogenious Charge Late Injection Standardkonfiguration Spritzbeginn früher als für Standard-DI Hohe AGR-Raten Geringere Sensitivität der Einstellparameter als bei HPLI Besserer Wirkungsgrad als HPLI Folie 50

51 Alternative Verbrennungsverfahren Applikation Einzylinder-Forschungsmotor Bohrung Hub Ø120 mm 120 mm Luftmasse Verdichter Beruhigungsbehälter Hubvolumen 1.36 dm³ Verdichtungsverhältnis Ventile/ Einlassdrall 4V / 1.6 Einspritzsystem Bosch- CR Einspritzsteuerung AVL- ETU Tank Gasmischer Kraftstoffwaage Luftkonditionierung (AGR- Pumpe) AGR- Ventil AGR- Heizer M AGR- Kühler CR- Pumpe M Rauch Leistungsbremse Beruhigungsbehälter Endstufe ETU CO2 HC CO CO2 AGR Computer Indiziergerät O2 NOx Folie 51

52 Alternative Verbrennungsverfahren Applikation Einzylinder-Forschungsmotor Globale optische Untersuchungen mittels Brennraumendoskopie Beleuchtung CCD-Kamera Beleuchtungseinheit Indiziergerät Trigger Folie 52

53 Alternative Verbrennungsverfahren 1. Grundlagen der Verbrennung HCLI Einfluss des Luftverhältnisses Brennrate [J/ KW] n=2000 min -1, pi=6 bar EGR=55% =1.2 EGR=60% =1.1 EGR=65% = [ KW] EGR=55% =1.2 RW=0.13 EGR=60% =1.1 RW=0.18 EGR=65% =1.0 RW=0.01 Folie 53

54 Kolbenkonturspritzversuche Mulde1: 50bar 300K 1000bar Einspritzdauer 1200µs Mulde2: 50bar 300K 1000bar Einspritzdauer 1200µs Folie 54

55 Alternative Verbrennungsverfahren HPLI Einfluss des Einspritzbeginns Brennrate [J/ KW] Grundlagen der Verbrennung n=1500 min -1, pi=3 bar SB= 9 not SB=10 not SB=11 not [ KW] SB=9 not RW=0.31 SB=10 not RW=0.05 SB=11 not RW=0.01 Folie 55

56 Alternative Verbrennungsverfahren DCCS Temperaturabsenkung durch AGR 8 1. Grundlagen der Verbrennung Rauchwert [FSN] AGR Lambda [-] AGR=85% RW=0.01 AGR=82% RW=0.23 AGR=78% RW=1.48 Folie 56

57 Alternative Verbrennungsverfahren Arbeitsbereiche für alternative Diesel-Brennverfahren 10 Lokales Luftverhältnis [-] 1 DCCS HPLI HCCI HCLI NOx Alternative Verbrennungsverfahren Ruß 0, Lokale Flammentemperatur K Folie 57

58 Alternative Verbrennungsverfahren Untersuchung lokaler Verbrennungsvorgänge Optisches Meßsystem auf Basis der Lichtleitermesstechnik Rußkonzentration Flammentemperatur 1. Grundlagen der Verbrennung Beobachtungskegel Saphirlinse Filter Fotodiode bzw. Fotomultiplier Glasfaser Lichtleiter Folie 58

59 Alternative Verbrennungsverfahren 1. Grundlagen der Verbrennung Nadelhub [mm] HPLI Rußbildung und Rußabbrand Brennrate Nadelhub Brennrate [J/ KW] SB= 2 not SB= 4 not SB= 6 not Rußbruch [-] Rußkonzentration RW=0.65 FSN RW=0.34 FSN RW=0.07 FSN Kurbelwinkel [ KW] Folie 59

60 Alternative Verbrennungsverfahren HPLI Gastemperatur Flammentemperatur SB= 2 not SB= 4 not SB= 6 not Temperatur [K] Gastemperatur Verbrannte Zone Mittlere Gastemperatur Kurbelwinkel [ KW] Folie 60

61 Alternative Verbrennungsverfahren Analyse des Wärmeübergangs Applikation am Zylinderkopf und Temperaturmessstellen 1. Grundlagen der Verbrennung Folie 61

62 Alternative Verbrennungsverfahren Transiente Wärmestromdichte 1. Grundlagen der Verbrennung Wärmestromdichte [W/cm²] Diesel HCCI HCLI HPLI mittlerer Wärmestrom [W] KW 0 Wärmebilanzmessung Folie 62

63 Alternative Verbrennungsverfahren Radiale Verteilung der Wandwärmeströme radiale Position [mm] 1. Grundlagen der Verbrennung Wärmestrom [W/cm²] Wärmestrom [W/cm²] HCCI 35 HCLI HPLI Diesel Wärmestrom [W/cm²] Wärmestrom [W/cm²] Folie 63

64 Alternative Verbrennungsverfahren Aufteilung des Lastbereichs in unterschiedliche Brennverfahrensregime Eff. Mitteldruck bar Konventionelle Dieselverbrennung HPLI (Highly Premixed Late Injection) 2 HCLI (Homogeneous Charge Late Injection) Drehzahl min -1 Folie

65 Alternative Verbrennungsverfahren Aufteilung des Lastbereichs in unterschiedliche Brennverfahrensregime Eff. Mitteldruck bar Punkte-Test für NEDC 80% Reduktion bei NOx und Ruß Drehzahl min -1 Folie 65