Die Brennverfahrensentwicklung an konventionellen Hubkolbenmotoren als auch an Sondermotoren inklusive der Anpassung für unterschiedlichste Kraftstoffe stellt einen traditionellen Schwerpunkt des Instituts dar. Beginnend von der Ladungsbewegung mit Aufladung über Gemischbildung und Zündung bis zur Verbrennung werden dabei alle Bereiche umfasst. Nachfolgend einige aktuelle Forschungsaktivitäten:
Nachhaltige Kraftstoffe für die Luftfahrt
Um in der Luftfahrt Klimaneutralität zu erreichen wird neben Prozesseffizienzsteigerungen und dem Einsatz von neuen Technologien vor allem auf die Einführung von alternativen Energieträgern gesetzt.
Sustainable Aviation Fuels (SAFs) sind nachhaltige Luftfahrttreibstoffe aus nichtfossilen Rohstoffen, die eine für den Flugverkehr erforderliche Energiedichte haben. Je nach Herstellungsverfahren können sie mit einer Mischquote von bis zu 50 (Vol.-)% konventionellem Kerosin beigemischt werden. Aufgrund abweichender chemischer und physikalischer Eigenschaften gegenüber Kerosin muss die Gemischaufbereitung und die motorische Verbrennung angepasst werden. Die dafür notwenigen Forschungsarbeiten werden am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik an einem Flugmotor mit zylinderdruckbasierter Regelung des Brennverfahrens durchgeführt.
Ein Anwendungsgebiet solcher Kraftstoffe stellt der nach seinem Erfinder benannte Wankelmotor dar. Aufgrund seiner Laufruhe sowie seinem hohen Leistungsgewicht ist dieser besonders für Luftfahrtanwendungen von Interesse. Das Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der Technischen Universität Wien forscht speziell an der Entwicklung und Optimierung neuer Brennverfahren, welche den Einsatz erneuerbarer Kraftstoffe erlauben. Das Zusammenspiel experimenteller und numerischer Untersuchungen ermöglicht ein besseres Verständnis des Ladungswechsels, der Gemischaufbereitung sowie der turbulenten Verbrennung. Ziel ist die Realisierung eines zuverlässigen Motorbetriebs mit nachhaltigen Kraftstoffen unter allen Randbedingungen, insbesondere dem in der Luftfahrt relevanten Niedertemperaturbereich.
Innovative Zündverfahren
Das IFA der TU Wien besitzt auf dem Gebiet der alternativen Zündsysteme (hier vor allem bei Laserzündung, Corona-Zündung, Hochfrequenz-Wechselstromzündung) langjährige Erfahrung und Kompetenzen. Untersuchungen des Entflammungsverhaltens in einer Verbrennungskammer zeigten die Potenziale des Mehrfachfunkenzündsystem und einer großvolumigen, schnellen Entzündung mit dem Corona-Zündsystem.
CO2-Einsparung mittels numerischer Brennverfahrensentwicklung
Die modelltechnische Abbildung des Verbrennungsprozesses ermöglicht ein tiefes Verständnis der Prozesse im Brennraum und damit die Identifikation von Optimierungspotenzialen. Abhängig vom vorliegenden Optimierungsziel werden am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) geeignete numerische Modelle entwickelt.
Im Hinblick auf eine CO2-neutrale Mobilität rücken Brennverfahren mit regenerativen Kraftstoffen in den Vordergrund. Im Bereich der nicht-vorgemischten, dieselmotorischen Verbrennung werden hier teils sauerstoffhaltige Kraftstoffe, wie beispielsweise Polyoxymethylendimethylether (PODE oder OME), diskutiert. Diese ermöglichen ein Absenken des Rußniveaus abseits des bekannten Ruß-NOx Trade-Offs und haben großes Potenzial zur Umsetzung einer Zero-Emission Mobilität.
Numerische Untersuchungen mittels CFD Simulation liefern einen detaillierten Einblick in den Aufbruch des Sprays, die Ausbildung der Dampfphase und die reaktionskinetischen Vorgänge, die zur Zündung führen. Eine Kombination mit optischen Untersuchungen an geeigneten Kammern und Motoren erlaubt ein detailliertes Verständnis der innermotorischen Vorgänge. Damit ist eine spezifische Prozessoptimierung für oxygenierter nachhaltiger Kraftstoffe möglich.
Ein alternativer Weg zur Absenkung der Schadstoffemissionen stellt der Sonderfall der Dual-Fuel-Verbrennung dar. Bei der vor allem bei Großmotoren eingesetzten Technik wird ein mageres Brenngas-/Luftgemisch dabei durch einen Dieselpiloten gezündet. Dadurch werden die klimaschädlichen CO2-, als auch die Stickoxid- und Rußemissionen deutlich reduziert.
Die Mischung und Zündung zweier Brennstoffe, sowie die vom Zündstrahl ins magere Brenngas fortschreitende turbulente Flamme stellen modelltechnisch eine große Herausforderung dar und sind Gegenstand der Forschung.
Der kraftstoffsparende Betrieb des Ottomotors wird durch die irreguläre Verbrennung limitiert. Neben dem Motorklopfen stellen bei hochaufgeladenen Motoren Vorentflammungen ein erhebliches Schadenspotenzial dar. Am Institut wurden in den vergangenen Jahren numerische und experimentelle in-situ Untersuchungen mit High-Speed-Kamera und Lichtleitern durchgeführt, um die Ursachen dieser unkontrollierten Zündereignisse zu erforschen. Jüngste Untersuchungen im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts identifizierten reaktive Ablagerungen als wahrscheinliche Auslöser von Vorentflammungen. Vom Institut wurden ein Kraftstoffmodell zur Vorhersage der Wandfilmbildung im Brennraum, sowie ein Partikel-Zündmodell unter Einbeziehung detaillierter Reaktionskinetik entwickelt und beigestellt, die die Identifikation vorentflammungskritischer Betriebspunkte ermöglichen.
Kontakte:
Assoc.Prof. Dr. Peter Hofmann
Tel.: +43 1 58801 31576
peter.hofmann@ifa.tuwien.ac.at
Assoc.Prof. Dr. Thomas Lauer
Tel.: +43 1 58801 31575