Untersuchung der turbulenten Flammenausbreitung unter ottomotorischen Bedingungen

In dieser Arbeit wird in einem Einhubtriebwerk die turbulente Flam- menausbreitung unter ottomotorischen Bedingungen untersucht. Die zeitlichen Verläufe von Druck und Temperatur entsprechen denen im Serienmotor. Eine quaderförmige Brennraumgeometrie erlaubt opti- schen Meßverfahren den Zugang zum gesamten Brennraum. Die Ver- brennung wird mittels 18 in Reihe angeordneter Zündfunkenstrecken ausgelöst. Dadurch ergibt sich eine einfache Flammengeometrie in Form eines Halbkreiszylinders.Der Bereich des unverbrannten Gemisches, die turbulente Flammezone und der Bereich der Produkte sind somit optischen Meßverfahren direkt zugänglich. Die Turbulenz wird durch Freistrahlen mit einer durch das Brenngas geschleppten Lochplatte generiert. Sie liegt mit maximal erreichbaren Werten von 10 m/s zu Kompressionsbeginn und bis zu 4 m/s zum Zündzeitpunkt im motorrelevanten Größenbereich. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor bietet das Einhubtriebwerk die Möglichkeit einer Verbrennung ohne turbulente Ladungsbewegung. Außerdem sind Unter- suchungen bei konstantem Volumen ebenso möglich wie Experimente mit motorrelevanten Kompressionsverhältnissen. Die Strömungsmessung im Zylinder erfolgt mit einem Laser-Dop- pler-Anemometer. Drei Lochplatten mit verschiedeu großen Bohrungen und unterschiedlicher Bohrungsanzahl wurden zur Turbulenzerzeugung eingesetzt. Bei Turbulenzgeneratoren mit kleinen Bohrungsdurchmes- sern wird ein inhomogenes und anisotropes Strömungsfeld gemessen, da die damit erzeugten Freistrahlen eine geringe Eindringtiefe besitzen. Dieses führt zu einem "geschichteten turbulenten Strömunsfeld im Brennraum. Bei großen Bohrungsdurchmessern füllen die Freistrahlen bis zum Ende der Produktionsphase den gesamten Brennraum aus und erzeugen so homogene, isotrope Turbulenz. Bedeutend ist dieser Sach- verhalt für Verbrennungsuntersuchungen in Systemen mit konstantem Volumen (Verbrennungsbomben). Als Auslegungskriterium für die Boh- rungsdurchmesser turbulenzgenerierender Lochplatten ergibt sich ein Mindestdurchmesser von 1/10 der Brennraumhöhe.

Das Eigenleuchten der Flamme wurde mit hoher örtlicher Auflösung gemessen. Sowohl bei der im Wellenlängenbereich 350 nm bis 750 nm spektral integrierten Strahlung als auch auf der CH-Bande bei 431.5 nm wird ein erheblicher Teil der Gesamtstrahlung im Bereich der heißen Produkte emittiert, wenn stöchiometrisches Propan-Luft-Gemisch ver- brannt wird. In beiden Fällen ist das Nachleuchten stark tempe- raturabhängig. Auf der Wellenlänge 431.5 nm beginnt es bei einer Abgastemperatur von ca. 4400 K die CH-Banden-Strahlung aus der Flamme zu übersteigen. Bereits geringe Verunreinigungen mit Feststof- partikeln führen selbst bei niedrigeren Temperaturen zu einer starken Erhöhung der Lichtemission aus dem Bereich der Produkte, die die Emission aus der Flammenzone überstrahlt. Bei Verwendung von sau- beren Gemischen mit niedriger adiabater Flammentemperatur liegt die Nachleuchtintensität weit unter der Chemilumineszenz in der Flammen- zone.

Durch den Vergleich der Strahlungsmesssungen mit der thermodyna- mischen Analyse und mit Ionenstrommessungen wurde die Korrelation zwischen der Strahlung auf der CH-Bande und der Massenumsatzra- te unter ottomotorischen Bedingungen nachgewiesen. Diese Korrelation ' wurde verwendet, um die örtliche Verteilung des momentanen Massen- ' umsatzes im Brennraum zu ermitteln. Die Untersuchung der Verteilung des Massenumsatzes ergibt bei einem Schnitt in Ausbreitungsrich- tung durch die turbulenten Flammenzone eine während des gesamten Verbrennungsprozesses beobachtbare Schiefe und einen Exzeß, die die Näherung durch eine Normalverteilung rechtfertigen.

Mit der Kenntnis der lokalen Verteilung der Massenumsatzrate wur- de die lokale Brenngeschwindigkeit der turbulenten Flamme relativ zum unverbrannten Gemisch entlang der Flammenzone ermittelt. Auf diese Weise wurde die Geschwindigkeit s? der frei brennenden Bereiche der Flamme ohne Berücksichtigung der Bereiche, die sich im lokalen Wand- ausbrand befinden, gemessen. Diese wurde mit der mittleren Geschwin- digkeit sb verglichen, die sich bei Anwendung des in Verbrennungsmoto- ren üblichen Verfahrens ergeben, bei dem das Zwei-Zonen-Modell mit einer sphärischen Annahme der Flammengeometrie eingesetzt wird. Die Deformation der Flammengeometrie bei Annäherung der Flamme an die Brennraumwände und die im Verhältnis zu den Brennraumabmes- sungen beträchtliche Dicke der turbulenten Flammenzone führen dazu, daß während eines großen Teils des Verbrennungsprozesses ein Teil des Massenumsatzes in einem Bereich der Flammenzone stattfindet, der sich im lokalen Wandausbrand befindet. Dies führt zu beträchtlichen Abweichungen zwischen der mit dem Zwei-Zonen-Modell berechneten mittleren Geschwindigkeit sb und der gemessenen Geschwindigkeit s? der frei brennenden Flammenbereiche.

Während des Verbrennungsprozesses ändert sich die turbulente Brenngeschwindigkeit zwischen Zündung und Brennende kontinuier- lich. Zum einen findet nach der Zündung ein Auffaltungsprozefi der Flammenfläche statt, der bis zum Erreichen eines Gleichgewichts zwi- schen der Flammenflächenvergrößerung durch die Turbulenz und dem Abbrand der turbulenten Strukturen anhält. Zum anderen ändern sich alle für die turbulente Flammenausbreitung wichtigen Größen teilweise beträchtlich mit der Zeit. Die gemessene hohe Instationarität der Flam- menausbreitung unter motorischen Bedingungen führt zu dem Schluß, daß es keine konstante, für den gesamten Verbrennungsablauf geltende Modellbeziehung für die Abhängigkeit der turbulenten Brenngeschwin- digkeit von der Turbulenzintensität geben kann.

Das Anwachsen der turbulenten Brenngeschwindigkeit in der Ent- fammungsphase bis zum Erreichen des Gleichgewichts zwischen Auf- faltung und Abbrand der turbulenten Strukturen in der Flammenzone und der Übergang in die quasi-stationäre Phase wurde mit der in der Literatur übliehen Beziehung

s . ? n
6 = 1
+ C
S Sl

beschrieben. Die Entwicklung des Faktors c und des Exponents n bei fortschreitender Verbrennung wurde dabei als Funktion der Zeit t und als Funktion des verbrannten Volumenanteils y = Vb/V ermittelt. Während der Entflammungsphase zeigt sich ein exponentielles Anwach- sen von c(t) und n(t) mit der Zeit. Bei Verwendung des die Geometrie der Flamme repräsentierenden Volumenbruches y ergibt sich für den Exponenten n(y) ein nahezu konstanter Wert von ca. l, während c(y) ebenfalls ein exponentielles Wachstum zeigt.

Die mit der Messung der Eigenstrahlung untersuchte zeitliche Ent- wicklung der turbulenten Flamme hinsichtlich Flammendicke, Flam- mengeometrie und Relativgeschwindigkeit zum unverbrannten Gemisch ermöglicht eine realitätsnahe Modellierung der turbulenten Flamme unter motorischen Bedingungen. Die Ergebnisse unterstützen darüber hinaus die Interpretation von Meßdaten bei der Lichtemissionsmessung und der Flammengeschwindigkeitsbestimmung in Verbrennungsmoto- ren. Die vorgestellte Meßmethode kann in Zukunft eingestetzt werden, um weitere Details der motorischen Verbrennung experimentell zu er- schließen.