Forschungsvereinigungen

 

Die hier genannten wissenschaftlichen Arbeiten wurden durch folgende Einrichtungen gefördert:

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV)
Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA)
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF)

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Ausgewählte wissenschaftliche Arbeiten:

Abgeschlossene Projekte:

 
 

Niedrigstemissionskonzept für H2-DI-Ottomotor

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Titel

Niedrigstemissionskonzept für H2-DI-Ottomotor
Förderung

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) - Eigenmittel

Projekt-Nr./Förderkennzeichen FVV1449
Kurzbeschreibung

Ziel dieses von der FVV geförderten Projekts ist es, die Potenziale eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung zu untersuchen, um einen weiteren Schritt in Richtung Serienreife von Wasserstoffverbrennungsmotoren für Pkw zu gehen.

Ein Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Untersuchung des Potenzials zur Reduktion der Emissionen. Während bei einem Wasserstoffverbrennungsprozess kein CO2 emittiert wird, können die NOx-Emissionen in bestimmten Betriebspunkten erheblich sein. Daher werden Untersuchungen sowohl an einem Vollmotor als auch an einem Einzylindermotor durchgeführt, um die Potenziale aber auch Limitierung bezüglich Ladungsverdünnung und Emission abzuleiten. Weiterhin sollen die anomalen Verbrennungsphänomene aufgrund der geringen notwendigen Zündenergie beobachtet werden. CFD-Simulationen des Ladungswechsels und der Verbrennung unterstützen die thermodynamischen Untersuchungen tragen einem tieferen Verständnis bei. Die hohe Massendiffusionsfähigkeit von Wasserstoff wird sich auf den Homogenisierungsprozess auswirken und voraussichtlich schneller erfolgen als bei konventionellen Kraftstoffen. Die sehr hohe laminare Brenngeschwindigkeit und Verbrennungsinstabilitäten stellen eine Herausforderung für die Modellierung der Verbrennung dar. Dies soll ebenfalls im Rahmen dieses Projektes betrachtet werden.

Als dritte Säule ergänzt die Untersuchung und Bewertung von Konzepten zur Abgasnachbehandlung von Wasserstoffverbrennungsmotoren den gesamtheitlichen Ansatz des Projektes. Dazu werden Konzepte für Motoren mit rein magerer Wasserstoffverbrennung sowie magerer & stöchiometrischer Verbrennungsregelung untersucht. Für die Konversion von NOx-Emissionen im Magerbetrieb sollen sowohl NSC- und SCR-basierte Ansätze als auch sinnvolle Kombinationen betrachtet werden. Darüber werden die Konversion von kohlenstoffhaltigen Emissionen und Ölverbrauch insbesondere unter stöchiometrischen Bedingungen bei Nennleistung sowie eine mögliche Partikelnachbehandlung einbezogen.

Laufzeit 10/2021 – 09/2024

 
 

 
 
 

 
 

SACI Combustion System with Active Pre-Chamber

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Titel

SACI Combustion System with Active Pre-Chamber
Förderung

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) - Eigenmittel

Projekt-Nr./Förderkennzeichen FVV1431
Kurzbeschreibung

Das Projekt zielt darauf ab, die Wechselwirkung zwischen turbulenter vorgemischter Verbrennung und reaktionsgesteuerter Verbrennung für ein funkenunterstütztes Kompressionszündungssystem (Spark assisted compression ignition, SACI) in Kombination mit einer aktiven Vorkammer zu untersuchen. Es wird erwartet, dass diese Art von Verbrennungssystem den thermischen Wirkungsgrad bei Teillast sowie den Spitzenwirkungsgrad aufgrund einer hohen Magerlauffähigkeit und einer erhöhten Verbrennungsstabilität verbessert.

Zunächst wird das grundlegende Zündverhalten an einer Rapid Compression Machine (RCM) untersucht. Die RCM ist mit einer aktiven Vorkammer ausgestattet, in der sich sowohl eine Zündkerze als auch ein Kraftstoff-Injektor befinden. Der Zündvorgang wird durch die Funkenentladung in der Vorkammer ausgelöst. In die Vorkammer wird Ottokraftstoff oder alternative Kraftstoffe wie Methanol direkt eingespritzt. Es werden unterschiedliche Kraftstoff-Luft-Gemische, d.h. Luft-Kraftstoff-Verhältnisse, bei verschiedenen Anfangsrandbedingungen bezüglich Temperatur und Druck betrachtet. Die resultierenden Druckkurven werden hinsichtlich ihrer Zündverzugszeiten ausgewertet, um die Verbrennung im Hinblick auf eine konventionelle Vorkammerverbrennung und eine durch die Vorkammer-Jets ausgelöste Selbstzündung in der Hauptkammer zu beurteilen. Darüber hinaus ist die RCM mit optischen Zugängen sowohl in der Vorkammer als auch in der Hauptkammer ausgestattet. So wird das Mischverhalten in der Vorkammer und der Ort der Selbstzündung in der Hauptkammer beurteilt.

Weiterhin wird das aktive Vorkammersystem thermodynamisch an einem Einzylinder-Motor (Single-Cylinder Engine, SCE) untersucht. Die gewählten Betriebsbedingungen werden aus den Ergebnissen der RCM-Untersuchungen abgeleitet. Insbesondere werden Variationen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei verschiedenen Motordrehzahlen und indizierten Mitteldrücken berücksichtigt. Der Aufbau der Vorkammer im SCE ist abgesehen von den optischen Zugängen identisch mit dem der RCM. Die SCE-Hauptkammer wird durch einen seitlichen Injektor zwischen den Einlassventilen mit Kraftstoff versorgt. Ähnlich wie bei den RCM-Untersuchungen wird der SCE mit Benzin oder mit alternativen Kraftstoffen untersucht. Der Zünd- und Verbrennungsprozess in der Hauptkammer wird anhand der aufgezeichneten Druckverläufe bewertet.

Darüber hinaus werden sowohl für die RCM als auch für den SCE numerische Strömungssimulationen durchgeführt, um die Verbrennungsmechanismen zu verknüpfen und die spezifischen Erkenntnisse zu übertragen. Darüber hinaus werden 0D/1D-Simulationen des SCE durchgeführt, um das Verbrennungssystem detaillierter zu beschreiben. Zu diesem Zweck werden Verbrennungsmodelle für Fremd- und Selbstzündung in ein Vorkammersystem implementiert, um ein ganzheitliches Simulationswerkzeug zu schaffen.
Laufzeit

01/2021-06/2023

 
 

 
 
 

 
 

PEM-FC Cold Start Simulation

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Titel

PEM-FC Cold Start Simulation
Förderung

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) - Eigenmittel

Projekt-Nr./Förderkennzeichen FVV1411
Kurzbeschreibung

Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines modularen, echtzeitfähigen Simulationsmodells von PEM-Brennstoffzellensystemen für Kaltstartuntersuchungen. Das Modell wird auf dem bereits existierenden Modell aufgebaut, das im Rahmen eines FVV-Vorgängerprojektes entwickelt wurde und nun für Kaltstartuntersuchungen erweitert wird. Besonderes Augenmerk wird auf das räumlich aufgelöste Modell des Brennstoffzellenstapels gelegt, das so verbessert wird, dass das flüssige Wasser in der Kanal- und Stegstruktur des Strömungsfeldes berücksichtigt werden kann. Zur Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit wird ein auf künstlicher Intelligenz beruhender Löseralgorithmus für dieses Modell entwickelt.

Das Simulationsmodell des Brennstoffzellenstapels wird durch detaillierte mehrdimensionale CFD-Simulationen ergänzt. Das CFD-Modell ist unerlässlich für die Untersuchung der Wasserverteilungen innerhalb der Zellschichten, was insbesondere für den Kaltstart von Interesse ist, sowie für Phasenwechselphänomene wie Kondensation und Verdunstung. Die so identifizierten Phänomene und Verteilungen werden zur Verifizierung des Stapelmodells verwendet. Zur Validierung der Simulationsergebnisse beider Modelle werden Messungen an segmentierten Versuchszellen in einem Kaltstartprüfstand durchgeführt.

Das kritischste Bauteil im Hinblick auf den Kaltstart ist der Membranbefeuchter. Daher wird das Modell des Membranbefeuchters aus dem Systemmodell so erweitert, dass es auch für die Simulation kalter Temperaturen verwendet werden kann. Aufgrund des Mangels an verfügbaren Daten zur Verifizierung werden einfache CFD Simulationen des Membranbefeuchters durchgeführt und die Ergebnisse zur Validierung verwendet. Im Rahmen des Projektes wird ein hoch detailliertes Brennstoffzellensystemmodell entwickelt, das in der Lage ist, das transiente Verhalten von Brennstoffzellensystemen während des Kaltstarts zu simulieren.

Laufzeit 09/2020 – 08/2022