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W. Holly:
"Reaktionskinetische Analyse der klopfenden Verbrennung an einem aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung";
Supervisor: T. Lauer, M. Heiß; E315 Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2013; final examination: 2013-06-21.

Weltweit steigt in vielen Bereichen des täglichen Lebens der Energiebedarf, so auch der des privaten Personenverkehrs. Da der Automobilsektor als Hauptenergiequelle Rohöl verwendet, führt dies zwangsläufig zu einem Engpass bei der Verfügbarkeit von fossilen Energieträgern. Dadurch muss die Effizienz der Motoren gesteigert werden, wodurch in den letzten Jahren das sogenannte Downsizing beim Ottomotor durchgeführt wurde. Infolge der hohen Mitteldrücke steigt die Gefahr der klopfenden Verbrennung, was speziell bei hohen Lasten zu Problemen führt und eine weitere Verbrauchsreduzierung verhindert. Es besteht daher großer Bedarf, die Selbstzündung des Endgases zu erforschen, um ihre Entstehungsmechanismen besser zu verstehen und mittels Simulation abzubilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb verschiedene Berechnungsmethoden kombiniert und mit Messdaten validiert, um die physikalischen Vorgänge, die die klopfende Verbrennung beeinflussen, abzubilden:
Da der Ottomotor zyklische Schwankungen aufweist, war es notwendig deren Einfluss auf das Klopfverhalten zu bewerten. Dies wurde mithilfe der Prozesssimulation durchgeführt. Danach wurden dreidimensionale CFD-Simulationen der Zylinderinnenströmung und Gemischbildung durchgeführt, um die räumliche Verteilung von Kraftstoff, Temperatur und Restgas zu erfassen. Dreidimensionale Verbrennungsrechnungen brachten zusätzliche Erkenntnisse über die Flammenausbreitung im Brennraum und den thermischen Zustand des Endgases.
Aufbauend auf den Ergebnissen der Ladungswechsel- und CFD-Simulationen konnten die Anfangs- und Randbedingungen eines stochastischen Reaktormodelles definiert werden, bei dem die Inhomogenität des Temperaturfeldes und der Zylinderzusammensetzung durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen berücksichtigt werden. Im stochastischen Reaktor konnte so die Niedertemperaturoxidation, die das Selbstentzünden des Endgases einleitet, mittels semidetaillierter Reaktionskinetik simuliert werden. Als Reaktionsmechanismus wurde der von Andrae, et al. entwickelte Toluol-Referenz-Mechanismus verwendet. Dadurch konnten die chemischen Reaktionsabläufe und -pfade der Selbstzündung im Endgas ausgewertet werden. Es wurden verschiedene Betriebspunkte mit unterschiedlicher Drehzahl, Last und AGR-Rate untersucht, um so die Einflüsse von Restgas, Flammenausbreitung, Temperaturverteilung und Turbulenz auf die irreguläre Verbrennung zu analysieren und bewerten.
Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass speziell die inhomogene Temperaturverteilung im Zylinder und die zyklischen Schwankungen des Brennverzugs einen großen Einfluss auf die klopfende Verbrennung haben. Durch eine entsprechende Anpassung dieser Faktoren ist das stochastische Reaktormodell in der Lage, die klopfende Verbrennung korrekt zu berechnen. Damit kann diese Berechnungsmethodik beispielsweise bei der numerischen Optimierung des Ottomotors eingesetzt werden um den Motorwirkungsgrad weiter zu steigern.