Modellierung der Flammenausbreitung und des Flammenlöschens im Gasmotor

Der Einsatz von Erdgas als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren bietet gegenüber flüssigen fossilen Kraftstoffen den Vorteil einer ungefähr 20 % geringeren Kohlenstoffdioxid-Emission. Allerdings stoßen Erdgas-Motoren oft eine hohe Menge Kohlenwasserstoffe unverbrannt aus, welche größtenteils aus dem Treibhausgas Methan bestehen. Zudem reduziert der unverbrannt bleibende Kraftstoff den Wirkungsgrad. In der vorliegenden Arbeit werden Berechnungsmethoden für die Flammenausbreitung und für die durch wandnahes Flammenlöschen („Quenchen“) unverbrannt bleibenden Kohlenwasserstoffe in Gasmotoren entwickelt. Dazu wird ein neues zonales Zylindermodell zur Darstellung des Hochdruck- und Ladungswechselprozesses für direkt gezündete Methangasmotoren erstellt. Dieses beschreibt die Form der durch die Kolbenbewegung deformierten Flammenfront mithilfe einer Ellipsoidgeometrie. Grundlage der Flammenausbreitungsrechnung ist ein sogenannter „Flamelet“-Ansatz, in den laminare Brenngeschwindigkeiten Eingang finden. Sie werden mittels reaktionskinetischer Simulationen für motorrelevante Bedingungen bis zu einem Druck von 20 MPa ermittelt. Die Kombination des Zylindermodells mit einem Modell zur Beschreibung des thermischen Flammenlöschens liefert zeitliche und räumliche Informationen der unverbrannten Gasmasse an den Brennraumwänden.