Experimental studies on combustion of jet, automotive and alternative fuels

Abstract

Bei den in dieser Arbeit durchgeführten Studien handelt es sich um experimentelle und simulationstechnische Untersuchungen zu den Verbrennungseigenschaften von Kohlenwasserstoffen. Das Ziel der durchgeführten experimentellen Untersuchungen ist das Schaffen von Grundlagenwissen zu Phänomenen der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen um die Entwicklung zukünftiger effizienter und schadstoffarmer Verbrennungskraftmaschinen zu unterstützen. Die experimentellen Untersuchungen werden an einem sogenannten Gegenstrombrenner durchgeführt. Der Versuchsaufbau besteht aus zwei vertikal angeordneten gegenüberliegenden Auslässen. Aus der oben liegenden Düse tritt ein gasförmiger Oxidator aus, aus dem untenliegenden Auslass tritt je nach Konfiguration ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff aus. In der Mitte des Strömungsfelds bildet sich eine nicht vorgemischte, laminare und stabile Flamme aus. Ein konzentrisch angeordneter Strom aus gasförmigem Stickstoff auf beiden Seiten des Brenners schützt die Reaktionszone von der Umgebung. Durch die simple Geometrie eines solchen Brenners und dadurch wohldefinierten Randbedingungen, eignen sich die dadurch gewonnen Ergebnisse für die Validierung von numerische Simulationen. Bei den in dieser Arbeit berücksichtigten Kraftstoffen handelt es sich um militärische und zivile Luftfahrttreibstoffe, Benzinkraftstoffe und einen alternativen Kraftstoff welche an zwei verschiedenen Gegenstrombrennerkonfigurationen bei atmosphärischen und erhöhten Drücken untersucht werden. Die untersuchten Luftfahrkraftstoffe sind die beiden militärischen Kraftstoffe JP-8 und JP-5 und der zivile Jet-A. Zusätzlich werden drei verschiedene Ersatzkraftstoffe und deren Komponenten auf das Selbstentflammungsverhalten bei erhöhten Drücken untersucht. Dafür wird die bereits existierende UC San Diego High Pressure Experimental Combustion Facility (HPCEF) weiterentwickelt und mit einem neuentwickelten Gegenstrombrenner ausgestattet, welcher das Durch-führen von Selbstentzündungsexperimenten mit hochmolekularen flüssigen Treibstoffen bis zu Drücken von 25 bar ermöglicht. Dabei wird ein heißer Oxidator auf ein mit flüssigen Kraftstoff gefülltes Becken geleitet. Die Temperatur wird bei konstanter Strain Rate solange erhöht bis Selbstentzündung eintritt. Die Oxidatortemperatur wird dabei kontinuierlich gemessen. Unterstützt wird dieses Forschungsprojekt vom U.S. Army Research Office (ARO). Gewonnene experimentellen Daten werden mit numerischen Simulationen verglichen, welche gemeinsam mit Kollegen der Creck Modelling Group des Polytechnikum Mailand durchgeführt werden. Die Ergebnisse zeigen eine Abnahme der Selbstzündungstemperaturen bei steigendem Druck für alle untersuchten Kraftstoffe. Gemeinsam mit den durchgeführten numerischen Untersuchungen deuten die experimentellen Ergebnisse auf einen entscheidenden Einfluss von Niedertemperatur-Chemie auf das Zündverhalten hin. Bei den untersuchten Benzinkraftstoffen handelt es sich um die sogenannten Fuels for Advanced Combustion Engines (FACE), sechs standardisierte Ottokraftstoffe welche entwickelt wurden um die Vergleichbarkeit von experimentellen Ergebnissen verschiedener Forschungseinrichtungen zu verbessern. Die Experimente werden an einem Gegenstrombrenner bei atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Der bei Raumtemperatur flüssig vorliegende Kraftstoff wird dabei in einem Verdampfer verdampft, mit gasförmigem Stickstoff vermischt und dem Brenner zugeführt. Als Oxidator diente reine Luft. Ziel der Untersuchung ist das Selbstentzündungs- und Auslöschverhalten bei kritischen Bedingungen. Die gewonnen Daten werden mit numerischen Simulationen verglichen, welche gemeinsam mit Kollegen der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien durchgeführt werden. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen Daten und den durchgeführten numerischen Simulationen, sowohl für Selbstentzündung als auch für Auslöschung. Bei dem untersuchten alternativen Kraftstoff handelt es sich um Dimethylether. Dabei wird das Auslöschverhalten von Dimethylether Flammen bei verschiedenen Brenngas- und Oxidatorstromzusammensetzungen im Gegenstrombrenner bei atmosphärischen Bedingungen untersucht. Die Zusammensetzung des Brenngas- und Oxidatorstrom wird so gewählt, dass die adiabate Flammentemperatur für jeden Messpunkt gleich bleibt. Der Wert des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses bei diesem Experiment reicht von 0,1 bis 0,8. Die Strain Rate bei Auslöschung der Flamme wird als Funktion des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses gemessen. Es wird beobachtet, dass die Strain Rate bei Auslöschung der Flamme bei steigendem stöchiometrischem Mischungsverhältnis zuerst abnimmt und danach stark zunimmt. Die Daten der experimentellen Untersuchung werden mit Ergebnissen einer numerischen Simulation verglichen, welche gemeinsam mit Kollegen des Indian Institute of Technology in Madras durchgeführt werden. Die experimentellen Daten und numerischen Berechnungen stimmen für kleine Werte des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses weitgehend überein, jedoch zeigt sich für größere Werte des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses eine signifikante Abweichung.

Experimental and computational studies are carried out to elucidate the fundamental characteristics of hydrocarbon diffusion flames. The motivation for this study is to increase the knowledge of combustion processes of hydrocarbon fuels and help to develop clean and efficient future combustion devices. The counterflow configuration is employed to carry out experimental investigations at atmospheric and elevated pressures. This configuration provides a simple and accurate way to conduct research on one-dimensional diffusion flame and enforce boundary conditions defined in computational models. The hydrocarbon fuels considered in this dissertation involve aviation, automotive type gasoline and alternative fuels. The aviation fuels investigated in this study are three jet fuels, commercial and military grade, three jet fuel surrogates and three n-paraffin hydrocarbons. This research project is supported by the U.S. Army Research Office (ARO) to further the U.S. Army Single Fuel Forward policy. For this purpose, a new counterflow burner is designed, which allows for conducting experiments on autoignition characteristics of high molecular weight hydrocarbon fuels at elevated pressures. Experiments are carried out in the pressure range of 3 to 6 bar to elucidate the effect of pressure on autoignition characteristics of these fuels. The obtained experimental data is compared to numerical computations carried out in collaboration with the Creck modeling group at the Polytechnic University of Milan. The results show a decrease in autoignition temperature with increasing pressure. Low temperature chemistry is found to play an important role in promoting autoignition. It is observed, that the influence of low temperature chemistry increases with increasing pressure. The gasoline fuels investigated are the so called Fuels for Advanced Combustion Engines (FACE). These fuels were formulated to provide researches around the globe with a set of gasoline test fuels for better comparison of their experimental results. The atmospheric counterflow configuration is employed to study the autoignition and extinction characteristics for varying reactant stream strain rates. The liquid fuel is first vaporized and then diluted with gaseous nitrogen before it enters the counterflow burner. The results are compared with numerical simulations carried out in collaboration with the Combustion and Pyrolysis Group from the King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia. The results show good agreement between the numerical simulations and the obtained experimental data, for both the limits of critical conditions for autoignition and extinction. The alternative fuel investigated is dimethyl ether. The experiment is carried out employing the atmospheric counterflow configuration to elucidate the influence of stoichiometric mixture fraction on extinction behavior of non-premixed dimethyl-ether flames. The mass fractions for fuel and oxidizer are chosen, so that the adiabatic flame temperature is fixed. The value for the stoichiometric mixture fraction in this experiment ranges from 0.1 to 0.8. The strain rate at extinction is measured as a function of the stoichiometric mixture fraction. With the stoichiometric mixture fraction increasing, the strain rate at extinction is first found to decrease and then increase. The experimental results are compared with numerical computations with detailed chemistry, carried out in collaboration with colleagues from the Indian Institute of Technology Madras. The predictions agree with the experimental data for small values of the stoichiometric mixture fraction but significantly disagree for higher values of the stoichiometric mixture fraction.