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Talks and Poster Presentations (with Proceedings-Entry):

O. Budak, J. Dedl, K. Heufer:
"Entwicklung geeigneter Kennzahlen und Korrelationen für die Charakterisierung von Ottokraftstoffen sowie alternativen Kraftstoffen mit Bioanteilen zur Beschreibung abnormaler Verbrennungsphänomene";
Talk: Frühjahr 2017, Bad Neuenahr / Germany (invited); 2017-03-30 - 2017-03-31; in: "Frühjahrstagung 2017 [ FVV 2017 Spring Conference ]", (2017), 351 - 392.



English abstract:
Modern boosted spark ignition engines are subject to an increased risk of abnormal combustion due to higher specific power output and the increased utilization of biogenic fuel components like ethanol. Nowadays the phenomenon called pre-ignition (PI) marks a serious challenge to engine development. This type of irregular combustion is characterized by its stochastic occurrence and carries the potential of serious engine damage. In order to make further progress in engine development, solving the issue of pre-ignition is one of the major goals.
This FVV project has the aim to define a characteristic fuel number and a corresponding test procedure, which captures a fuels pre-ignition sensitivity. Several approaches will be followed for this purpose. Engine based procedures on a CFR (Cooperative Fuel Research) test engine and a single cylinder research engine will be included as well as fundamental evaluations of ignition delay of premixed air-fuel mixtures. These ignition delay experiments will be conducted on a rapid compression machine and an automated facility for ignition delay measurements of non-premixed air-fuel mixtures (AFIDA - Advanced Fuel Ignition Delay Analyzer). Another approach Furthermore investigations will be conducted towards a ranking of a fuels pre-ignition sensitivity based on its chemical composition.

The CFR-test will be based on a modified CFR engine. In the former FVV project M1078 "Downsizing fuels" [1] two different characteristic fuel numbers have been developed already, which are addressing pre-ignition. On one hand, the so called Hot Spot Pre-Ignition Number (HSPI) quantifies a fuelīs sensitivity towards surface induced pre-ignition. On the other hand, the Compression Pre-Ignition Number (CPI) expresses the gas-phase auto-ignition tendency of a fuel. A large variety of over 30 fuels is introduced in this ongoing project to validate the fuel numbers on a broad scale.

An additional aim of this proposal is the extension of existing correlations describing both types of pre-ignition, which were determined in the predecessor project M1059 "Fuel characteristic numbers biofuels" [2] based on a new measurement procedure on a single cylinder research engine. A comparison of the results, derived from the CFR engine and the single cylinder engine, revealed a different pre-ignition ranking of the fuel matrix. However, among those fuels with a PRF-content (Primary reference fuel) less than 5 % of volume, a high correlation of the results can be found.
Simplified engine process simulations revealed that the air-fuel mixture is operated in completely different chemical reaction regimes due to differences in the intake air conditions on both engines. As a consequence, the pre-ignition numbers of all fuels result in different rankings, dominated by their NTC characteristic.
The results obtained from AFIDA tests and single cylinder engine measurements show a significant correlation of determination Rē of 82 %.
An evaluation of the pre-ignition behavior based on the fuel composition was found to be insufficient. The complexity of potential molecules in gasoline fuels is not captured by an industrially applicable gas chromatography.
Based on the current status of this project, the operation of the CFR engine under conditions similar to modern engines is being tested. Intake air temperature sweeps on the CFR engine already show a promising approach. First investigations with optimized operating conditions for the CPI and the HSPI test procedure lead to a significant difference in terms of the pre-ignition ranking of ethanol blends (E5-E85) compared to isooctane.

German abstract:
Die steigende Leistungsdichte moderner hochaufgeladener Ottomotoren und die Kraftstoffbeimischung biogener Anteile wie Ethanol begünstigen das Auftreten von Verbrennungsanomalien. Aus heutiger Sicht stellt besonders das Phänomen der Vorentflammung (VE) eine Herausforderung für die Motorenentwicklung dar. Diese Art der irregulären Verbrennung ist ein stochastisch auftretendes Phänomen und kann zu erheblichen Motorschäden führen, weshalb es für die weiterführende Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist, die Ursache der Verbrennungsanomalie zu vermeiden.
Mit diesem FVV-Vorhaben wird das Ziel verfolgt, eine Kennzahl zu ermitteln, welche den Kraftstoffeinfluss auf die Vorentflammung bewertet. Dazu werden verschiedene Ansätze zur Charakterisierung eines Kraftstoffes bzw. seiner Vorentflammungsneigung verfolgt. Motorische Verfahren in einem CFR (Cooperative Fuel Research)-Prüfmotor und einem seriennahen Einzylinder-Forschungsmotor werden ebenso untersucht, wie die fundamentale Bewertung des Zündverzuges vorgemischter Luft-Kraftstoff-Proben. Die Zündverzugsanalysen werden in diesem Zusammenhang in einem Einhubtriebwerk (Rapid compression machine) und einer automatisierten Vorrichtung zur Messung von Zündverzugszeiten nicht vorgemischter Luft-Kraftstoff-Proben (AFIDA - Advanced Fuel Ignition Delay Analyzer) vorgenommen. Ein weiterer Ansatz der Kraftstoffbewertung ist die Charakterisierung des Vorentflammungsverhaltens mittels der Stoffzusammensetzung des Kraftstoffes.
Grundlage des CFR-Messverfahrens bildet ein modifizierter CFR (Cooperative Fuel Research)-Prüfmotor. Im FVV-Vorgängerprojekt M1078 "Downsizingkraftstoff" [1] wurden bereits Kraftstoffkennzahlen zur Bewertung zweier verschiedener Formen der Vorentflammung auf diesem Aggregat entwickelt. Die sogenannte Hot Spot Pre-Ignition Number (HSPI) quantifiziert dabei die Neigung eines Kraftstoffes an einer heißen Oberfläche im Brennraum zu zünden. Die Compression Pre-Ignition Number (CPI) wiederum dient der Bewertung der Selbstzündung aus der kritischen Gasphase. Im Sinne einer umfassenden Validierung dieser Kennzahlen wird in diesem FVV-Projekt eine komplexe Kraftstoffmatrix mit mehr als 30 Kraftstoffen herangezogen.
Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist die Ausweitung vorhandener Korrelationen zur Beschreibung der beiden Vorentflammungsformen, welche im Vorgängerprojekt M1059 "Kraftstoffkennzahlen Biofuels Otto-DI" [2] mit Hilfe eines eigens definierten Messverfahrens auf einem Einzylinder-Forschungsmotor aufgestellt wurden. Der Vergleich der CFR-Kennzahlen mit den Ergebnissen vom Einzylinder-Motor zeigt unter Betrachtung der gesamten Kraftstoffmatrix abweichende Vorentflammungstendenzen der Kraftstoffe. Im Falle der CFR-Kennzahl CPI kann jedoch in einzelnen Kraftstoffgruppen eine überaus hohe Übereinstimmung mit einem Bestimmtheitsmaß Rē von 80 % erzielt werden (Kraftstoffe geringem Isooktan- bzw. n-Heptan-Anteils).
Vereinfachte Motorsimulationen führen zu der Erkenntnis, dass die unterschiedlichen Ansaugbedingungen der Motoren dazu beitragen, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum in grundlegend unterschiedlichen Regimen der Zündchemie geführt wird. Die Folge ist ein abweichendes Ranking der Kraftstoffe, geprägt durch deren unterschiedliches NTC-Verhalten.
Zwischen den Ergebnissen des AFIDA und dem Einzylinder-Forschungsmotor lässt sich eine deutliche Korrelation mit einem Bestimmtheitsmaß von 84 % aufzeigen.
Eine Bewertung des Vorentflammungsverhaltens auf Grundlage der Kraftstoff-zusammensetzung hat sich als unzureichend erwiesen. Die industriell einsetzbare, gaschromatografische Analyse (GC-Analyse) von Ottokraftstoffen schlüsselt die Komplexität der potenziellen Kraftstoffspezies nicht detailliert genug auf.
Auf Basis der derzeit vorliegenden Ergebnisse wird, mit dem Ziel dem Verbrennungsverhalten moderner Motoren zu entsprechen, eine Anpassung der CFR-Betriebsbedingungen vorgenommen. Erste Untersuchungen optimierter Betriebsrandbedingungen des CPI- und HSPI-Verfahrens zeigen anhand verschiedener Ethanolmischkraftsoffe (E5-E85) im Vergleich zu Isooktan, dass es zu deutlichen Unterschieden im Vorentflammungsranking der Kraftstoffe kommt.

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.