Phenomenological modeling of pre-ignition in gas engines

Abstract

Beim Betrieb von Zweitakt-Dual-Fuel-Motoren kann es zu ungewollten Vorentflammungen kommen, welche zu hohen Druckanstiegen führen und im schlimmsten Fall Bauteile beschädigen. Dieses Phänomen in den Griff zu bekommen ist ein essentieller Bestandteil in der Entwicklung dieser Motoren. Auch ist die Ursache und der Mechanismus dieser Vorentflammungen nicht mit solchen im PKW-Bereich vergleichbar, weshalb eine Übertragbarkeit der Erkenntnisse nicht gegeben ist. Umfangreiche Vollmotorversuche sind bei großen Schiffsmotoren sehr teuer und auch 3D-CFD-Simulationen sind bei den geometrischen Gegebenheiten sehr ressourcenintensiv. In dieser Arbeit wird deshalb ein schnelles QD-Modell entwickelt, um Vorentflammungen vorhersagen zu können. Mit umfangreichen reaktionskinetischen Untersuchungen wird gezeigt, dass Vorentflammungen ohne im Brennraum vorhandene Schmieröltropfen bei dem betrachteten Motorkonzept nicht möglich sind. Das in dieser Arbeit entwickelte phänomenologische Vorentflammungsmodell ist eine Kombination aus Schmieröltropfenverdampfung und Reaktionskinetik. Das Modell ist in der Lage, bei unterschiedlichsten motorrelevanten Randbedingungen den Beginn der Vorentflammung korrekt vorherzusagen. Für die Tropfenverdampfung erfolgte die Validierung gegen eine große Auswahl an Messungen aus der Literatur. Das Gesamtmodell ist gegen eine umfangreiche Messkampagne an einem optisch zugänglichen Prüfstand sowie an Messungen eines realen Schiffsmotors validiert.