Experimentelle und numerische Untersuchung der Verbrennung eines mittelschnelllaufenden 4-Takt Dieselmotors

Großdieselmotoren sind aufgrund der Effizienz, der Langlebigkeit und der geringen Betriebskosten die dominierenden Antriebe für Schiffe. Trotz bereits hoher Gesamtwirkungsgrade ist es weiterhin das Ziel, diese weiter zu erhöhen. Durch die Einführung der IMO Tier III Abgasnorm ab 2016 liegt der Fokus der Brennverfahrensentwicklung jedoch momentan verstärkt auf der Abgasemissionsreduzierung. Insbesondere die Senkung der Stickoxidemissionen stellt die Großmotorenentwicklung vor eine Herausforderung, da diese im Zielkonflikt mit der Senkung des Kraftstoffverbrauchs steht.

Die Emissionsbildung während der dieselmotorischen Verbrennung ist stark von lokalen Bedingungen im Brennraum abhängig. Bisher wurden die im Inneren ablaufenden Prozesse hauptsächlich durch thermodynamische Untersuchungen anhand des indizierten Zylinderdrucks und durch die Messung der Emissionen im Abgas analysiert. Damit ist es jedoch kaum möglich, auf lokale Brennraumzustände zu schließen. Im Bereich der PKW- und NFZ-Motoren haben sich deshalb laseroptische Messverfahren etabliert. Damit lassen sich Teilprozesse wie Einspritzung, Gemischbildung, Zündung, Verbrennung und Emissionsbildung untersuchen. Die Kenntnis dieser Abläufe ermöglicht eine gezielte Beeinflussung der Verbrennung, je nach Anforderungen an das Brennverfahren. Für mittelschnelllaufende Dieselmotoren wurden bisher kaum Messungen dieser Art durchgeführt, weshalb die Abläufe im Brennraum weitgehend unbekannt sind.

In dieser Arbeit wurden Untersuchungen der Zylinderinnenströmung, der Kraftstoffeinspritzung, der Gemischbildung / Zündung und der Verbrennung / Emissionsbildung durchgeführt. Neben den klassischen Entwicklungswerkzeugen wie der Zylinderdruckindizierung und der Abgasemissionsmessung kamen laseroptische Messtechniken und ein 3D-CFD-Modell zum Einsatz. Durch deren Kombination konnte ein umfassendes Bild der Verbrennung in mittelschnelllaufenden Dieselmotoren gewonnen werden.