Modellierung der Flammenausbreitung und des Flammenlöschens im Gasmotor
Friedrich Dinkelacker, Ansgar Ratzke
Der Einsatz von Erdgas als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren bietet
gegenüber flüssigen fossilen Kraftstoffen den Vorteil einer ungefähr
20 % geringeren Kohlenstoffdioxid-Emission. Allerdings stoßen
Erdgas-Motoren oft eine hohe Menge Kohlenwasserstoffe unverbrannt
aus, welche größtenteils aus dem Treibhausgas Methan bestehen.
Zudem reduziert der unverbrannt bleibende Kraftstoff den Wirkungsgrad.
In der vorliegenden Arbeit werden Berechnungsmethoden für die
Flammenausbreitung und für die durch wandnahes Flammenlöschen
(„Quenchen“) unverbrannt bleibenden Kohlenwasserstoffe in Gasmotoren
entwickelt. Dazu wird ein neues zonales Zylindermodell zur Darstellung
des Hochdruck- und Ladungswechselprozesses für direkt gezündete
Methangasmotoren erstellt. Dieses beschreibt die Form der durch die
Kolbenbewegung deformierten Flammenfront mithilfe einer Ellipsoidgeometrie.
Grundlage der Flammenausbreitungsrechnung ist ein
sogenannter „Flamelet“-Ansatz, in den laminare Brenngeschwindigkeiten
Eingang finden. Sie werden mittels reaktionskinetischer Simulationen
für motorrelevante Bedingungen bis zu einem Druck von 20 MPa
ermittelt. Die Kombination des Zylindermodells mit einem Modell
zur Beschreibung des thermischen Flammenlöschens liefert zeitliche
und räumliche Informationen der unverbrannten Gasmasse an den
Brennraumwänden.
