Untersuchung des Zündprozesses mittels elektrischer Funkenzündung an einem Einhubtriebwerk (RCEM)

Bedingt durch die stetigen Trends zu höheren Mitteldrücken und magereren Gemischen im Bereich der Großgasmotoren ist ein sicheres Entzünden des Gemisches im Brennraum von großer Bedeutung, um zyklische Verbrennungsschwankungen in einem akzeptablen Bereich zu halten. Dafür ist ein tiefgehendes Verständnis der Vorgänge während der Zündung und in der frühen Phase der Verbrennung essentiell.

Daher wurde das am IVT zur Verfügung stehende Einhubtriebwerk (Rapid Compression Expansion Machine, RCEM) in Kombination mit einem elektrischen Funkenzündsystem herangezogen, um den Einfluss der Brenndauer des Zündfunkens auf die frühe Phase der Flammenkernbildung in vorgemischten Gas-Luft-Gemischen unter definierten Randbedingungen und bei exzellenter optischer Zugänglichkeit detailliert zu untersuchen. Der dazu verwendete Versuchsablauf wird anhand von Abbildung 1 näher erläutert.

Abbildung 1: Versuchsablauf zur Untersuchung des Zündvorgangs am Einhubtriebwerk

Für die Untersuchungen wurde zunächst in der Ausgangsposition des Kolbens der Brennraum evakuiert. Danach wurde das bereits vorab gemischte, magere Gas-Luft-Gemisch mit dem gewünschten Druck eingefüllt. Schlussendlich wurde der Kolben pneumatisch zum oberen Totpunkt geschossen und die Verbrennung bei einem definierten Zündzeitpunkt initiiert.

Zur fundamentalen Analyse der Vorgänge im Brennraum wurden im Bereich der Zündkerzenelektrode optische Aufnahmen mittels eines Schlieren-Aufbaus und einer Hochgeschwindigkeitskamera durchgeführt. Ein ausgewähltes Ergebnis dieser Untersuchung ist in Abbildung 2 dargestellt und veranschaulicht, dass sich der initiale Flammenkern im Bereich der Zündkerzenelektroden bei einer Funkenbrenndauer von 100 µs langsamer entwickelt als bei 500 µs. Eine wichtige Erkenntnis ist allerdings auch, dass der Beschleunigung der Flammenkernbildung durch Erhöhung der Funkenbrenndauer Grenzen gesetzt sind, da sich ab einer gewissen Dauer keine Änderung des Verbrennungsvorganges mehr einstellt (nicht dargestellt). Mit der RCEM können viele weitere Fragestellungen im Bereich der Flammenkernbildung untersucht werden. Vor allem die Einflüsse der Einstellungen des Zündsystems und der Zündkerzengeometrie können im Detail betrachtet werden.