dc.description.abstract
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.
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