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M. Heiß:
"Simulation der Zylinderinnenströmung und Turbulenz für einen Ottomotor im Erdgasbetrieb mit Laserzündung";
Supervisor: B. Geringer, T. Lauer; E 315 Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2009; final examination: 2009-10-14.

Die Anwendung der Laserzündung ist bei Großgasmotoren mit Magerkonzepten eine attraktive Alternative, um stark überstöchiometrische Gemische sicher zu entflammen und niedrigste
NOx‐Emissionen sicherzustellen. Mittels einer variablen Fokussiereinrichtung kann der Zündort bzw. Brennpunkt entlang der Strahlachse im Brennraum frei positioniert werden. Dadurch kann
die Zündung in Bereichen eingeleitet werden, in denen optimale Strömungs‐ bzw. Gemischverhältnisse vorliegen. Um diese Gebiete identifizieren zu können, müssen die komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Flamme, Strömung und Kraftstoffverteilung analysiert werden. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, durch den Vergleich von Simulationsergebnissen und den zugehörigen Messungen am Prüfstandsmotor bei unterschiedlichen Laser‐Zündorten die Auswirkungen der Entflammungsbedingungen auf die Verbrennungsstabilität zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde für einen mit Erdgas betriebenen Einzylinder‐Forschungsmotor ein transientes 3D‐CFD Modell erstellt. Die Untersuchung der Motor‐Basis‐Konfiguration wurde um eine Drall‐Variante ergänzt, bei der sich durch unsymmetrisches Verschließen eines Einlasskanals eine erhöhte Ladungsbewegung bzw. Turbulenz einstellte. Für beide Varianten wurden die Simulationsdaten der Zylinderladung entlang einer vertikalen und einer horizontalen Zündachse ausgewertet. Gleichzeitig wurden
unter den gleichen Randbedingungen Prüfstandsmessungen der Laufruhe durchgeführt, wobei der Laser‐Zündort entlang der Zündachsen variiert wurde. Anhand der Laufruhe wurde der Grad der Verbrennungsstabilität bewertet. Die Korrelation der simulierten Feldgröße (Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz, laminare Flammengeschwindigkeit) mit den Messungen wurde dabei eingehend diskutiert. Durch die Bildung einer dimensionslosen Kennzahl der
Flammentheorie aus den Strömungs‐ und Gemischeigenschaften wurden die
Wechselwirkungen zwischen den Feldgrößen in der Entflammungsphase berücksichtigt. Der Vergleich dieser Rechengröße mit der am Motorprüfstand gemessenen Laufruhe zeigte eine gute Übereinstimmung. Da sich die Messungen grundsätzlich im Bereich unkritischer
Verbrennungsstabilität befanden, gab die Simulation darüber Auskunft, unter welchen Bedingungen eine stabile Verbrennung abgelaufen ist. Die analysierte Kennzahl verfügt daher über das Potential, auch ohne aufwendige Verbrennungssimulation auf die Laufruhe unter bestimmten Entflammungsbedingungen schließen zu können.