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B. Schobesberger:
"Modellierung der Dual-Fuel-Verbrennung in einer Rapid Compression Expansion Machine mittels AVL FIRE{TM}";
Supervisor: T. Lauer, J. Frühhaber; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik(IFA), 2020; final examination: 2020-06-26.

Die Umweltpolitik nimmt heutzutage eine wesentliche Rolle in der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren ein. Wesentliche Einflussfaktoren sind die Limitierung von Schadstoffen und Treibhausgasen. Gleichzeitig sind seitens der Anwender der Verbrennungsmotoren geringe Betriebs- und Instandhaltungskosten gewünscht. Diese Einflussfaktoren treiben die Neu- und Weiterentwicklung von Brennverfahren voran. Das Dual-Fuel-Brennverfahren, bei dem ein Brenngas mit Hilfe einer Dieseleinspritzung gezündet wird, stellt einen interessanten Ansatz, speziell für Großmotoren, dar. Die Variation des energetischen Diesel-Erdgas-Verhältnisses stellt einen weiteren Parameter zur Optimierung. der Betriebsstrategie dar. Versuche und numerische Strömungssimulationen (CFD-Simulation) ermöglichen den Verbrennungsprozess zu analysieren und in weiterer Folge zu optimieren. Die CFD-Simulation eignet sich dabei für genauere Analysen, die ansonsten nur mit einem entsprechend aufwendigen Messaufbau möglich wären. Im Rahmen eines Forschungsprojektes, bei dem sich das Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien als Projektpartner beteiligt, wird die Dual-Fuel-Verbrennung mit Hilfe von Versuchen und numerischen Strömungssimulationen untersucht. Hierbei wurden vom LTT Erlangen Versuche an einer optisch zugänglichen RCEM (Rapid Compression Expansion Machine) durchgeführt. In der RCEM wurden unterschiedliche homogene magere Brenngas-Luft-Gemische komprimiert und nahe dem oberen Totpunkt mittels einer Piloteinspritzung gezündet. Bei der Versuchsdurchführung wurden das energetische Diesel-Brenngas-Verhältnis und der Einspritzzeitpunkt variiert, um deren Einfluss auf den Ablauf der Verbrennung zu untersuchen. Ein gläserner Kolbenmuldenboden · ermöglichte die Erstellung von Aufnahmen der OH*-Chemilumineszenzstrahlung und des Flammeneigenleuchten. Die Flammenausbreitung kann mit diesen Aufnahmen analysiert werden. Weiters wurde der Druckverlauf mit Hilfe eines Piezo-Drucksensors aufgezeichnet. Der Verbrennungsprozess der RCEM wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit mit dem CFD-Programm AVL FIRE^TM untersucht. Es wurde auf ein bereits vorhandenes CFD-Rechennetz zurückgegriffen. Die Kinematik des Rechennetzes liegt gemessenen Wegverläufen der Diesel-Betriebspunkte mit reiner Luft als Hintergrundgas zugrunde. Die turbulente Strömung wurde mit dem k--f-Modell wiedergegeben. Der Dual-Fuel-Verbrennungsprozess der RCEM wurde mit dem, von der AVL List GmbH, neu entwickelten ECFM-erbrennungsmodell modelliert und simuliert. Ein diskretes Tropfenmodell spiegelt den Einspritzvorgang des Dieselkraftstoffs wieder. Die Messungen dienen als Basis für die Kalibrierung und Validierung des Simulationsmodells. Mit dem Simulationsmodell könnte der Verbrennungsprozess des Versuchs im Bereich des oberen Totpunktes nachgebildet werden. Während der Expansionsphase treten Abweichungen der Kinematik, und somit Druckabweichungen, zwischen Messung und Simulation auf, da die Kinetik der RCEM nicht modelliert wurde. Die Simulation ermöglicht den Einfluss des energetischen Diesel-Brenngas-Verhältnisses auf den Verbrennungsprozess näher zu untersuchen. Unter anderem wurde eine unvollständige Verbrennung des mageren Hintergrundgases beobachtet. Aufgrund des geringen Brenngasanteils wird nur das von Dieselgemisch eingeschlossene Brenngas umgesetzt. Eine eigenständige Flammenausbreitung in das vorgemischte Brenngas-Luft-Gemisch konnte nicht beobachtet werden. Weiters konnte eine Zunahme des Zündverzuges mit steigender Brenngaskonzentration festgestellt werden.