Autoignition and combustion of biofuels

Abstract

Um die Abhängigkeit von Erdölimporten zu mindern, verlangt der Gesetzgeber der USA die Beimischung von Ethanol aus erneuerbaren Rohstoffen in Benzin. Diese Benzin-Ethanol-Gemische erfordern eine Untersuchung des Effekts von Alkohol auf das Verbrennungsverhalten von Kohlenwasserstoffen.<br />Benzin ist ein Gemisch von Hunderten Kohlenwasserstoffverbindungen und besitzt daher eine große Vielfalt von verschiedenen chemischen Reaktionen während des Verbrennungsporzesses. Lange Rechenzeiten machen eine Verwendung aller auftretenden Reaktionen in der Verbrennungsberechnung schwierig. Die Entwicklung von Ersatzkraftstoffen -so genannten Surrogates- die nur aus einigen Kohlenwasserstoffen bestehen, kann ein Lösungsweg sein.<br />Die Verbrennungsmechanismen der verwendeten Komponenten sind bekannt und der Rechenaufwand bleibt innerhalb annehmbarer Grenzen.<br />Ein passendes Surrogate ist definiert als Mischung einiger Kohlenwasserstoffe die eine ähnliche Verbrennungscharakteristik zeigt wie der ursprüngliche Kraftstoff. Durch den Vergleich von Versuchsergebnissen eines Kraftstoffes und seines Surrogates kann die Übereinstimmung bestimmter Aspekte der Verbrennung gezeigt werden.<br />Ethanol wurde einem bereits entwickelten Surrogate aus vier Komponenten für gewöhnliches Tankstellenbenzin beigemengt um ein Surrogate für Benzin-Ethanol-Gemische zu erhalten. Pures Surrogate, purer Ethanol und Mischungen mit 20 vol%, 40 vol%, 60 vol% und 85 vol% Ethanol wurden als Ersatzkraftstoffe untersucht. Die Versuchsergebnisse wurden mit denen von Benzin-Ethanol-Gemischen in gleicher Zusammensetzung verglichen.<br />Die Experimente wurden in einem Gegenstrombrenner durchgeführt in dem ein laminarer Luftstrom gegen einen laminaren Strom aus verdampftem Kraftstoff und Stickstoff trifft.<br />Kritische Zustände der Selbstzündung und Erlöschung von Flammen wurden gemessen. Verbrennungsberechnungen für die verwendeten Surrogates können durchgeführt und mit Versuchsergebnissen verifiziert werden.<br />

To lower the dependancy on crude oil, the United States legislator requires ethanol produced from renewable sources to be blended into gasoline. These blends of ethanol and gasoline call for an investigation on the effects of alcohols on the combustion behavior of hydrocarbons.<br />Gasoline is a mixture of hundreds of hydrocarbon compounds and thus has a vast variety of different chemical reactions during the burning process. Long computing times make it difficult to use them in numerical calculations of combustion. Developing surrogates made out of only some hydrocarbons can be an approach. The mechanisms for the used components are well known and the computational time keeps within reasonable limits. An adequate surrogate is defined as a mixture of few hydrocarbons showing similar combustion characteristics as the original fuel. By comparing experimental results on a certain fuel with those of its surrogate, the similarity in certain aspects of combustion can be proven.<br />Ethanol was added to an existing four-component surrogate for gas station gasoline to create surrogates for gasoline-ethanol blends. Pure surrogate, pure ethanol and four blends of the original surrogate and ethanol, namely surrogate containing 20 vol%, 40 vol%, 60 vol% and 85 vol% ethanol were used as fuel mixtures.<br />The experimental results of these blends were compared to those of similar blends of gasoline and ethanol.<br />Experiments were performed using a nonpremixed laminar counterflow setup where a oxidizer stream stagnates against a stream of vaporized fuel together with nitrogen. Points of auto-ignition and extinction of a diffusion flame near the stagnation plane were measured. The temperature at autoignition was measured with thermocouples in the heated oxidizer stream and corrected for radiation loss.<br />Calculations of combustion from the surrogate can be done and veryfied with the experiments.