Untersuchung von Zündungs- und Verbrennungsprozessen an einem Einhub-Triebwerk (RCEM)

Zur grundlegenden Untersuchung von Zündungs-, Verbrennungs- und Klopfprozessen in Verbrennungsmotoren steht am IVT seit dem Frühjahr 2017 ein sogenanntes Einhubtriebwerk (Rapid Compression-Expansion Machine, RCEM, Abbildung 1) zur Verfügung. Aufgrund des fehlenden Kurbeltriebs können mit dieser Maschine einzelne Verbrennungszyklen mit großer Flexibilität im Hinblick auf Kolbenhub, Verdichtungsverhältnis und Zusammensetzung des Arbeitsgases nachgestellt werden. 

Der Kolben wird durch Beaufschlagung mit Druckluft an der Rückseite angetrieben und somit ballistisch bewegt. Der ventilfreie Zylinderkopf ermöglicht viele Freiheitsgrade beim Einbau verschiedenster Hardware (Einspritzausrüstung, Zündsystem, Sensorik etc.). Überdies können die Vorgänge im Brennraum durch verschiedene Fenster exzellent optisch erfasst werden.

Abbildung 1: Aufbau des Einhubtriebwerks (links) und schematische Darstellung des Brennraumes (rechts)

Aktuell wird das Einhubtriebwerk in Projekten in Kooperation mit LEC (www.lec.at) zur fundamentalen Untersuchung von Zündungs- und Verbrennungsprozessen vorgemischter Gas-Luft-Gemische unter Verwen­dung einer elektrischen Funkenzündung herangezogen. Diese Unter­suchun­gen dienen einerseits dazu, ein tieferes Verständnis der komplexen Vorgänge im Brennraum zu erlangen und bieten andererseits die Möglich­keit, Simulationsmodelle (z.B. in der 3D-CFD Simulation) mittels der generierten Messdaten zu validieren.

Für die Untersuchungen wurde an der RCEM umfangreiche Messtechnik appliziert. Zur zeitlich hochaufgelösten Erfassung aller relevanten Mess­größen wie etwa Brennraumdruck, Kolbenweg sowie Spannungen und Ströme am Zündsystem, steht seit Juli 2017 ein Oszilloskop der Fa. Yokogawa mit Abtastraten von bis zu 10 MS/s zur Verfügung. Für die optische Aufzeichnung der Vorgänge im Brennraum kommt die bereits bewährte Hochgeschwindigkeitskamera der Fa. Photron zum Einsatz. Exemplarisch sind in Abbildung 2 Ergebnisse aktuell laufender Untersuchungen der laminaren Flammenfrontausbreitung in CH₄-Luft Gemischen dargestellt.

Abbildung 2: Breitband- und Schlierenaufnahme der Flammenfrontausbreitung (links) und Auswertung der Bilddaten mittels Konturerkennung (rechts)

Der Vergleich von Breitband- und Schlierenaufnahmen (Abbildung 2, links) hat im Allgemeinen gezeigt, dass die optische Erfassung der Flammenfront mittels Aufzeichnung des Flammeneigenleuchtens aufgrund der vergleichs­weise geringen Lichtemission lange Belichtungszeiten erfordert und somit niedrige Bildfrequenzen bedingt. Bei Verwendung der Schlieren-Technik können aufgrund der starken externen Lichtquelle hingegen kurze Belich­tungs­zeiten und hohe Bildfrequenzen zum Einsatz kommen. Überdies ist die Kontur der Flammenfront mit dieser Technik durchwegs klar erkennbar, was die automatische Konturerkennung bei der Auswertung der Bilddaten erleichtert (Abbildung 2, rechts).