Diese Arbeit beschreibt eine tiefgehende Analyse der thermischen Randbedingungen im wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor. Aufgrund großer Unterschiede in der Verbrennungscharakteristik sowie den Stoffeigenschaften von Wasserstoff und kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoffen war es notwendig, Kenntnisse über Temperaturen und Wandwärmeströme im Brennraum zu erhalten. Versuche an einem mit zahlreichen Temperaturmessstellen ausgestatteten Einzylinder-Forschungsmotor lieferten detaillierte Ergebnisse über wärmeübergangsrelevante Einflussfaktoren. Mittels der Oberflächentemperaturmethode konnte aus den zeitlichen Veränderungen der lokalen Wandtemperaturen der brennraumseitige Wandwärmestrom abgeleitet werden. Als dominanter Einflussfaktor auf die thermischen Gegebenheiten im Brennraum stellte sich die Gemischzusammensetzung heraus. Auswirkungen einer Variation von Verbrennungsluftverhältnis und Restgasmenge auf die gemessenen Wandwärmeströme werden dargestellt und die grundlegende Abhängigkeit des Wärmeüberganges von Verbrennung und Stoffzusammensetzung diskutiert. Ergänzt wurden die Untersuchungen hinsichtlich einer Steigerung im Turbulenzniveau im Brennraum. Neben den Einflüssen einer Drallströmung wurden wichtige Parameter der gasförmigen Wasserstoffeinblasung variiert und deren Auswirkung auf den Wärmeübergang bewertet. Aufbauend auf den durchgeführten Versuchen wurden Vergleiche der gemessenen Wandwärmeströme mit ausgewählten publizierten Wärmeübergangsansätzen durchgeführt. Gerade für den stöchiometrischen Betrieb mit Wasserstoff konnte jedoch mit keinem dieser Ansätze ein zufriedenstelIendes Ergebnis erzielt werden. Aus diesem Grund wurde ein Wärmeübergangsmodell aus den Versuchsergebnissen abgeleitet. Die Berechnung der Strömungsfeldes im Brennraum wurde hierbei weitestgehend von einem veröffentlichten Wärmeübergangsmodell verwendet. Speziell für die teils deutlich abweichenden Stoffeigenschaften von Wasserstoff und Benzin erforderten eine detaillierte Ausweisung eines eigenständigen Stoffwertetermes. In Hinblick auf die hohen Verbrennungstemperaturen im stöchiometrischen Betrieb musste der Verbrennungsterm angepasst werden. Diese Modifikationen führten zu einem eigenständigen Modell zur Berechnung des instationären Wärmeüberganges im Brennraum wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotoren. Dieses vorgeschlagene Modell ermöglicht die quantitative Bestimmung des brennraumseitigen Wandwärmeüberganges in den Grenzen der Modellgenauigkeit.
This present manuscript describes a serious analysis of the thermal boundary conditions in a hydrogen internal combustion engine. Due to large differences in the combustion characteristics and the material properties of hydrogen and hydrocarbon based-fuels it was necessary to investigate temperatures and heat-fluxes inside the combustion chamber. Investigations on a single-cylinder research engine with a large number of temperature-sensors provided detailed results about the influencing variables of heat transfer. Using the surface temperature method time variable surface temperatures and heat-f1uxes could be identified. The air-fuel ratio turns out to be the most dominant factor of the thermal conditions in the combustion chamber. Effects of varying the air-fuel ratio and residual gas quantity on the wall heat-flux are shown in this thesis. There is also discussed the fundamental addiction of the heat transfer from combustion and the material properties. The investigations are complemented with regard to increasing the level of turbulence inside the combustion chamber. In addition to the influence of swirling effects, different parameters of hydrogen injection were varied. Based on the experimental data the measured wall heat f1ux was compared with selected published heat transfer models. Especially for the stoichiometric operation mode with hydrogen there is no satisfying result with these models. For this reason, a new heat transfer model was derived from experimental data. The calculation of a f10w field inside the combustion chamber was used and modified from a published model. Especially for some significantly differences of hydrogen and gasoline, a detailed identification of a material properties term is required. With regard to the high combustion temperature the combustion term was modified. These modifications led to a distinctive model for calculating the transient heat transfer inside the combustion chamber of hydrogen internal .combustion engines. This proposed model allows the quantitati.ve calculation of heat transfer inside the combustion chamber within the limits of model accuracy.
Analyse der thermischen Randbedingungen im wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor
BEV. Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik ; 6 ; 1-139
2010
139 Seiten, Bilder, Tabellen, 95 Quellen
Theses
German
KLIMATISIERUNG EINES WASSERSTOFFBETRIEBENEN FAHRZEUGES, INSBESONDERE EINES SCHIENENFAHRZEUGES
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