Optische Untersuchungen und numerische Simulation zur Beeinflussung der Gemischbildung bei variabler Einspritzung
Die Stabilität homogenisierter Motorbrennverfahren hängt maßgeblich vom Gemischzustand zu Beginn des Brennverlaufs ab. In direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren lässt sich der Gemischzustand direkt durch die Einspritzstrategie beeinflussen, d. h. durch Variation von Einspritzzeitpunkt, -dauer, -menge und -einteilung. Damit ist die Einspritzstrategie grundsätzlich zur Steuerung der Gemischbildung und des Brennverlaufs geeignet. Da die Regelung der Gemischbildung und des Brennverlaufs innerhalb eines Motorzyklus vor allem messtechnisch noch nicht umsetzbar ist, soll im Rahmen des Sonderforschungsbereichs eine modellprädiktive Vorsteuerung entwickelt werden. Im Teilprojekt B4 werden dazu reduzierte Modelle turbulenter Gemischbildungsprozesse erarbeitet.
In den ersten beiden Bearbeitungsphasen lag der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Strahldynamik, die sich infolge der Interaktion zwischen der Tropfen- und der Gasphase einstellt. Für die dritte Bearbeitungsphase soll der Schwerpunkt auf die Modellierung der turbulenten Mischprozesse in der Gasphase gelegt werden, die am Ende des Gemischbildungsprozesses die Anfangsbedingungen für den Brennverlauf festlegen. Die Modellierung der turbulenten Gemischbildung wird vor allem durch Messungen der Grobstruktur in der Gasphase und des Geschwindigkeitsfelds von Gas- und Tropfenphase vorangetrieben. Die Validierung erfolgt durch Messung und Ermittlung des Gemischzustands, d. h. des Mischungsbruchs und der skalaren Dissipationsrate, die in der laufenden Bearbeitungsphase als geeignete Größen zur Beschreibung des Gemischzustands identifiziert worden sind.
Im Zentrum der Modellierung steht ein turbulenter Vollkegelsprühstrahl, dessen Strömungsmechanik vor allem von turbulenten Mischprozessen und turbulenter Dispersion dominiert wird. Ausgangspunkt ist ein zweiphasiges strömungsmechanisches Fundamentalmodell, das beide Phasen und deren Interaktion vollständig beschreibt und in den bisherigen Bearbeitungsphasen des Teilprojekts entwickelt worden ist. Zur Modellreduktion wird angenommen, dass die Tropfen der Gasphase ideal folgen, d. h. dass sich die Tropfenphase wie eine Komponente der Gasphase verhält. Dadurch können Tropfen- und Gasphase zu einer Phase zusammengefasst werden. Durch weitere Modellreduktion kann der Vollkegelsprühstrahl dann durch einen turbulenten Freistrahl angenähert werden. Für diesen Reduktionsansatz bestehen erste quasi-stationäre Modelle, auf denen die Modellreduktion für instationäre Sprühstrahlen und variable Einspritzstrategien aufbauen kann. Das entwickelte Gemischbildungsmodell muss eine zuverlässige Vorhersage der skalaren Dissipationsrate und des Mischungsbruchs treffen, die als Anfangsbedingung in die Verbrennungsmodelle des „virtuellen Prüfstands“ im Sonderforschungsbereich einfließen. Auf Grundlage dieser Vorhersage wird eine geeignete Einspritzstrategie eingestellt, um einen stabilen Brennverlauf zu erreichen.