Combustion of biofuels and hydrocarbon fuels in nonpremixed flows

Abstract

The transition away from fossil energies has important implications for the climate change to keep global temperature rise below 1.5°C. This goes hand in hand with ongoing research into combustion processes for a better understanding and more targeted application of existing fuel blends and novel alternative fuel components. Emissions in the automotive technology sector go hand in hand with this issue. Even though the proportion of hybrid and electric vehicles has increased, conventional internal combustion engines respectively piston engines with internal combustion, still account for the majority of vehicles on the market. As a consequence, fundamental investigations on combustion of hydrocarbon and alternative fuels, as they take part in this diploma thesis, provide knowledge for modeling combustion of jet fuels, gasoline, diesel and biofuels. Therefor critical conditions of extinction and autoignition of different fuel mixtures are measured to provide exact data values for further data bases. This reaction kinetic study investigates the experimental extinction behavior of different liquid fuel compositions from Decane with Heptane, Isobutanol with Heptane and Ethanol with Heptane as well as the autoignition behavior of Ethanol with Heptane. The study about autoignition consists of both, a numerical and experimental investigation.All experiments were carried out at the counterflow burner setup used at UCSD aiming to analyze selected aspects of the combustion of hydrocarbon fuels and alternative fuels in non-premixed flows. The counterflow setup at UCSD consists of the gas supply, the pump system, the control software and the counterflow burner itself, which is the most important component. A syringe pump filled with the fuel mixture provides the liquid level in the fuel duct which can be additionally observed by a camera. This duct faces axisymmetric the oxidizer duct. An oxidizer stream facing this fuel disc causes in optimal configuration a stagnation plane. During autoignition experiments the autoignition top of the burner is connected to a heating element and a thermocouple measures the temperature close to the ducts' outlet. The gas supply comes from N2 cylinders and an air pipe. All measured flows are regulated by mass flow controller which operate together with the LabVIEW-software. Extinction is defined to take place at the value of a certain strain rate, when the stagnation plane is extinguished by a sudden transition from a reactive region to a non-reactive region. The strain rate is defined as the axial gradient of the axial component of the flowvelocity. During experimental investigations, the strain rate a2 is increased until the flame of the ignited fuel mixture is suddenly extinguished at the extinction strain rate a2.E for a fixed oxygen mass fraction YO2.2.The common finding of the extinction experiments for all fuels and volumetric mixtures is that an increase of the respective oxygen mass fraction YO2.2 leads to an increase in the corresponding extinction strain rate a2.E. Heptane is the hardest to extinguish followed in a linear trend by Decane-Heptane mixtures with a higher share of Heptane.The critical conditions of extinction of burning Isobutanol-Heptane blends of different ratios are in general very similar regardless their volumetric mixing ratios shown by the relatively small deviations between them. Nonlinear effects occur, in particular a burning 50%Vol.Isobutanol-50% Vol.Heptane flame being the easiest to extinguish and consists of the lowest reactivity of the investigated Isobutanol-Heptane blends. Comparing the critical conditions for a given extinction strain rate a2.E the value of the corresponding oxygen mass fraction YO2.2 is the highest for Heptane, followed by a 50%Vol.Ethanol- 50%Vol.Heptane-, 20%Vol.Ethanol-80%Vol.Heptane-, 80%Vol.Ethanol- 20% Vol.Heptane mixture and Ethanol.Autoignition is defined to take place at the value of strain rate where an abrupt transition takes place from a weakly reactive region to a reactive region. In the research work, the temperature of the thermocouple, which measures the temperature of the gaseous oxidizer stream T2, is measured at a constant strain rate a2. In the event of a sudden flame, the autoignition temperature T2.AI is recorded. Investigations show that for every mixing ratio of Ethanol and Heptane fuels the autoignition temperature T2.AI increases with an increased strain rate a2.AI. Thus the fuel mixture becomes harder to ignite. Heptane is at all strain rate values a2.AI the easiest to ignite. The results indicate that at higher strain rates, Ethanol has the highest autoignition temperature T2.AI followed by descending shares of Ethanol in the mixture. At lower strain rates both numerical and experimental results observe in contrast, opposite results. Analyzing the autoignition behavior of mixtures of Ethanol and Heptane, it seems that already small shares of Ethanol inhibit the low temperature chemistry of Heptane.

Eine Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen ist ein entscheidendes Ziel, um den globalen Temperaturanstieg unter 1.5°C zu halten. Damit einher geht die Forschung an Verbrennungsvorgängen, was zu einem besseren Verständnis und einer zielgerechteren Anwendung von bereits existierenden Kraftstoffmischungen und neuen alternativen Kraftstoffen führt. Die Emissionen des Automobilsektors spielen bei dieser Diskussion eine große Rolle. Obwohl es durch jüngste Entwicklungen zu einer deutlichen Zunahme von Hybrid- und Elektrofahrzeugen gekommen ist, bilden konventionelle interne Verbrennungsmaschinen immer noch die Mehrheit der Fahrzeuge des Marktes.Unter Anbetracht dessen liefern fundamentale Verbrennungsanalysen von kohlenstoffhaltigen und alternativen Kraftstoffen, wie sie in dieser Diplomarbeit durchgeführt werden, Wissen über die Modellierung von Jet-Kraftstoffen, Benzin, Diesel und biogenen Kraftstoffen. Deshalb werden hier die kritischen Bedingungen des Auslöschungs- und Selbstzündungsverhalten für ausgewählte Kraftstoffzusammensetzungen gemessen, um exakte Datenwerte für die Verwertung in weiteren Datenbanken und spezifischen Programmen ermitteln zu können.Diese reaktionskinetische Studie untersucht definierte volumetrische Mischungen von Dekan mit Heptan, Isobutanol mit Heptan und Ethanol mit Heptan bezüglich deren Auslöschungsverhalten, als auch eine kombinierte numerische und experimentelle Studie des Selbstzündungsverhaltens von Ethanol mit Heptan. Um die Betriebsgrenzen für Energieumwandlungssysteme in komplexeren Systemen bestimmen zu können, setzt sich diese Arbeit das Ziel, die fundamentalen Stoffeigenschaften des Auslöschungs- und Selbstzündungsvorganges besagter Brennstoffe zu ermitteln.Die Verbrennungseigenschaften dieser Kraftstoffe hängen einerseits von der charakteristischen chemischen Reaktionsdauer, welche wiederum von der adiabaten Flammentemperatur und der Stöchiometrie abhängt, als auch andererseits von der charakteristischen Verweilzeit ab, welche durch die Strömungsgeschwindigkeit und somit durch die sogenannte Strainrate bestimmt wird.Die experimentellen Untersuchungen wurden an der University of California San Diego an einem sogenannten Gegenstrombrenner durchgeführt. Dieser Brenner ermöglicht eine einfache, vergleichbare und genaue Charakterisierung des Strömungsfeldes. Der Aufbau lässt sich durch zwei gegenüberliegende, vertikal angeordnete Düsen klassifizieren. Bei einem solchen Brenner treffen im Allgemeinen ein gasförmiger Oxidationsstrom und ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoffstrom - hier im Speziellen ein zylindrischer Kraftstoffsammelbehälter, aus dem lediglich der Kraftstoff vaporisiert wird - an einer Stagnationsebene zusammen. Diese konzentrische Stagnationsebene, welche eine dünne, laminare, viskose Grenzschicht darstellt, lässt den Gasstrom in einem bestimmten stöchiometrischen Verhältnis stehen. Es bildet sich eine laminare, stabile und nicht vorgemischte Flamme an der Stagnationsebene zwischen den beiden Auslässen aus. Diese Ebene wird konzentrisch durch einen Stickstoffstrom umschlossen, welcher die Reaktionszone von der Umgebung abschirmt. Alle gemessenen Gasströme werden durch Kontrollventile geregelt und operieren zusammen mit der eigens designten LabVIEW-Umgebung.Der Zustand der Erlöschung tritt ein, wenn zwischen den Strömungsgeschwindigkeiten beider Auslässe kein Gleichgewicht mehr besteht und somit die Flamme von der Diffusionsebene ausbricht und erlischt. Dabei wird experimentell der Sauerstoffmassenanteil des Brennstoffstroms bei Auslöschung YO2.2 variiert, um den jeweiligen Wert der Auslöschungsstrainrate a2.E des korrespondierenden Sauerstoffmassenanteils genau zu bestimmen. Gemeinsamkeit aller Auslöschexperimente unabhängig der Kraftstoffe und Volumengemische ist, dass eine Erhöhung des Sauerstoffmassenanteils bei Auslöschung YO2.2 zu einer Erhöhung der Auslöschungsstrainrate a2.E führt. Eine Heptan-Flamme ist am schwersten auszulöschen, gefolgt in einem linearen Trend von Decan-Heptan-Gemischen mit einem höheren Anteil an Heptan. Die kritischen Bedingungen für das Erlöschen brennender Isobutanol-Heptan-Gemische verschiedener Verhältnisse sind sich im Allgemeinen sehr ähnlich, unabhängig von ihren volumetrischen Mischungsverhältnissen, wie die relativ geringen Abweichungen zeigen. Es treten nichtlineare Effekte auf, insbesondere ist eine brennende 50%Vol.Isobutanol- 50%Vol.Heptan-Flamme am leichtesten auszulöschen und weist somit die geringste Reaktivität der untersuchten Isobutanol-Heptan-Gemische auf.Vergleicht man die kritischen Bedingungen für eine gegebene Strainrate a2.E, so ist der Wert des Sauerstoffmassenanteils YO2.2 für Heptan am höchsten, gefolgt von einem 50% Vol.Ethanol-50% Vol.Heptan-, 20% Vol.Ethanol-80% Vol.Heptan-, 80% Vol.Ethanol- 20% Vol.Heptan-Gemisch und Ethanol.Das Phänomen der Selbstzündung tritt auf, wenn die entstehende Wärmeentwicklung ein charakteristisches Limit übersteigt und somit die chemische Verweilzeit der Reaktanten schlagartig ansteigen lässt.Die Selbstzündungsexperimente werden bei atmosphärischem Druck p.atm unter konstant gehaltenem Sauerstoffmassenanteil des Brennstoffstroms YO2.2, konstant gehaltener Strainrate a2 und konstant gehaltenem stöchiometrischen Massenanteil der Kraftstoffrate YF durchgeführt. Ziel ist die Bestimmung der Temperatur des Oxidationsmittelstromes T2 bei Selbstzündung. Untersuchungen zeigen, dass für jedes Mischungsverhältnis von Ethanol-Heptan-Kraftstoffen die Selbstzündungstemperatur T2.AI mit zunehmender Strainrate a2.AI ansteigt. Dadurch wird das Kraftstoffgemisch schwieriger zu entzünden. Heptan zeigt über jede Strainrate a2.AI hinweg die leichteste Selbstentzündbarkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass Ethanol bei höheren Strainrates die höchste Selbstentzündungstemperatur T2.AI aufweist, gefolgt von Kompositionen mit abnehmendem Ethanolanteil in linearem Verhältnis. Bei niedrigeren Strainrates zeigen sowohl die numerischen, als auch die experimentellen Ergebnisse entgegengesetzte Resultate. Die Analyse des Selbstzündungsverhaltens von Ethanol-Heptan-Gemischen zeigt, dass bereits geringe Ethanolanteile die Niedertemperaturchemie von Heptan zu hemmen scheint.