Reaktive Fluide

In der Forschungsgruppe FOR 2687 untersuchen wir experimentell zyklische Schwankungen in wasserstoffbetriebenen Ottomotoren. Insbesondere untersuchen wir den Teil der Ursache-Wirkungs-Kette, der von der Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder zu den Schwankungen in der frühen Flammenausbreitung führt. Zyklische Schwankungen sind chaotische Schwankungen der thermodynamischen Kennzahlen jedes einzelnen Motorzyklus, wie z. B. Spitzendruck, Kraftstoffverbrennungsrate und angegebener mittlerer effektiver Druck. Diese Schwankungen stehen im Zusammenhang mit Phänomenen wie Klopfen und Fehlzündungen, die die Motoreffizienz grundlegend einschränken. Im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen hat Wasserstoff als Kraftstoff sehr unterschiedliche Eigenschaften, die die Kraftstoff-Luft-Mischung und die Verbrennung stark beeinflussen. Über die zyklische Variabilität dieses unkonventionellen Kraftstoffs ist nur sehr wenig bekannt, was die Entwicklung von Wasserstoffmotoren behindert. Das Ziel dieses Teilprojekts ist es, ein detailliertes Verständnis und daraus ein konzeptionelles Modell der Ursache-Wirkungs-Kette zu gewinnen, die von der Direkteinspritzung und Vermischung über die Zündung und Entzündung bis hin zu den resultierenden zyklischen Schwankungen führt. Dies wird durch Experimente in Zusammenarbeit mit Simulationen von Kooperationspartnern erreicht. Ein weiteres Ziel ist daher die Bereitstellung geeigneter experimenteller Daten für die Validierung dieser Simulationsmethoden und umgekehrt die Analyse der Simulationsergebnisse für eine vollständigere Bewertung und ein besseres Verständnis der Experimente.  In Bezug auf die Methoden streben wir die Entwicklung optischer Bildgebungsverfahren an, die derzeit für qualitativ hochwertige Messungen mit Wasserstoff als Kraftstoff noch unzureichend sind. Außerdem sollen Methoden zur Analyse von räumlich-zeitlich teilweise kohärenten komplexen Strömungen entwickelt werden, um von den Auswirkungen auf die Ursachen der zyklischen Variabilität zurückverfolgen zu können. Die Experimente werden in optisch zugänglichen Einzylinder-Forschungsmotoren durchgeführt, teilweise in Zusammenarbeit mit der Combustion Research Facility der Sandia National Laboratories in Livermore, Kalifornien. Wir verwenden optische Bildgebung mit hohen Bildraten (10 000 bis 100 000 Bilder pro Sekunde). Die Wasserstoffeinspritzung wird durch Schlierenbildgebung visualisiert, die Strömung im Zylinder durch Partikelbildvelozimetrie, die Kraftstoff-Luft-Vermischung durch laserinduzierte Fluoreszenz (mit nur einem Bild pro Zyklus) und die Verbrennung zusätzlich durch die Chemilumineszenz des Hydroxylradikals. Dieses Teilprojekt arbeitet besonders eng mit den Teilprojekten zusammen, die die Überschall-Wasserstoffinjektion untersuchen und die Strömung, Vermischung und Verbrennung im Zylinder mit räumlich und zeitlich hochauflösenden mehrdimensionalen Simulationen betrachten.

​