Numerical Investigations of the Ignition Characteristics and Flame Morphology of Polyoxymethylene Dimethyl Ether

Abstract

Klimaneutrale synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energiequellen, die sogenannten E-Fuels, sind ein kontroverses Thema für zukünftige individuelle Mobilitätsszenarien. Neben der Fähigkeit, flüchtige überschüssige erneuerbare Energie chemisch zu speichern, haben E-Fuels ein erhebliches Potenzial für eine kontrollierte, saubere und effiziente Verbrennung künftiger Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Eine vielversprechende Gruppe von flüssiger Energieträger sind oxygenierte E-Fuels, die Sauerstoff in ihrer chemischen Struktur enthalten und möglicherweise ohne Rußemission in Selbstzündungsmotoren verbrennen. Insbesondere Polyoxymethylendimethylether (PODE oder OME) verhindern effektiv die Produktion von Rußvorläufern wie Acetylen C2H2 aufgrund des Fehlens von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Diese Eigenschaft mildert den typischen Ruß-NOx-Kompromiss für Dieselmotoren. Allerdings müssen die unterschiedliche chemische Zusammensetzung und das physikalisch-chemische Verhalten von OME eingehend verstanden werden, um eine Verbrennung zu erreichen, die die höchsten thermischen Wirkungsgrade und die geringste Schadstoffbildung bietet. Um die Abweichungen bei der Mischung, dem Zündverhalten, der Flammenmorphologie und den Emissionseigenschaften von herkömmlichen dieselähnlichen Kraftstoffen zu identifizieren, ist die Anwendung grundlegender experimenteller und numerischer Forschung nötig, um diese Gruppe von Kraftstoffen vollständig zu charakterisieren.Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Freistrahl- sowie Verbrennungseigenschaften eines OME3−5 Kraftstoffs analysiert. Unter Verwendung eines kommerziellen CFD-Codes wurden die numerischen Ergebnisse mit Freistrahlexperimenten in einem optischen Verbrennungsprüfstand mit konstantem Druck unter dieselmotorrelevanten Bedingungen und mit einem Einzylinder-Forschungsmotor mit optisch zugänglichem Kolbenboden validiert. Die Flüssigkeitseindringtiefe wurde mittels Mie-Streuung und diffuser Rückbeleuchtung (DBI) gemessen. Die Durchmischung der Kraftsoffe mit der Umgebungsluft wurde mittels Rayleigh-Streuung und Schlierenmessungen bestimmt. Die Zündung wurde mit planarer laserinduzierter Fluoreszenz von Formaldehyd (CH2O) für die Niedertemperaturflamme und OH*-Chemilumineszenz für die Hochtemperaturzündung nachgewiesen.Ziel der vorliegenden Forschung war es, experimentelle Daten zu sammeln, um ein CFDModell zu validieren und zusätzliche Einblicke in den OME-Verbrennungsprozess zu gewinnen, die sonst mit experimentellen Techniken nicht möglich wären. Zunächst wurden die inerten und reaktiven Freistrahleigenschaften von OME im Vergleich zu dieselähnlichem n-Dodekan unter dieselmotorrelevanten Bedingungen mithilfe eines kommerziellen CFD-Codes untersucht. Es wurde ein kohärentes Modell zur Einspritzung und sowie zum Tropfenaufbruch entwickelt. Ein neuer kinetischer Reaktionsmechanismus für die Verbrennung von OME wurde als Input für das CFD-Modell abgeleitet. Anschließend wurde das CFD-Modell auf den Verbrennungsprozess eines Einzylinder-Forschungsmotors mit optisch zugänglichem Kolbenboden angewendet. Im Zuge dessen wurde ein systematischer Ansatz zur Einbeziehung der signifikanten Verluste durch Kolbenringleckagen entwickelt.Es konnte gezeigt werden, dass sich das Zündverhalten des OME Kraftstoffs maßgeblich von dem von n-Dodekan unterscheidet und eine stark erhöhte Reaktionsaktivität von OME in Regionen vorliegt, in denen nicht sauerstoffhaltige Kraftstoffe wie n-Dodekan kein zündfähiges Gemisch bilden können. Der gesamte Verbrennungsprozess von OME konnete innerhalb eines Mischungszustandes beschrieben werden, der die Rußbildung wirksam verhindert. Außerdem wurde ein ausführlicher Vergleich der Kalt- und Heißphasenzündung für OME und n-Dodekan durchgeführt, der mithilfe der Turbulenzmodellierungsansätze Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) und Large Eddy Simulation (LES) simuliert wurde. Die allgemeine Gültigkeit des RANS-Ansatzes wurde durch bemerkenswerter Übereinstimmung mit den OH*-Chemilumineszenz Messungen bei hohen Umgebungstemperaturen nachgewiesen. Gleichzeitig wurden die Vorteile von LES herausgearbeitet, indem seine Fähigkeit demonstriert wurde, kleinskalige Schwankungen im Verbrennungsprozess zu erfassen.Zusammenfassend lieferte die eingehende numerische Analyse wertvolle Erkenntnisse über die Verbrennungseigenschaften von OME. Die identifizierten Abweichungen für OME hinsichtlich Zündverhalten, Flammenmorphologie und transientem Betrieb im Vergleich zu dieselähnlichen Kraftstoffen werden als Orientierung für zukünftige Anwendungen von OME-Kraftstoffen in Verbrennungsmotoren und anderswo dienen.

Climate-neutral synthetic fuels based on renewable energy sources, the so-called e-fuels, are a controversial topic regarding future individual mobility scenarios. Besides the ability to provide chemical storage for volatile excess renewable energy, e-fuels have a significant potential to deliver controlled, clean, and efficient combustion for future vehicles with internal combustion engines (ICE). One promising group of liquid energy carriers are oxygenated e-fuels, which contain oxygen within their chemical structure and potentially burn without soot emissionin compression-ignition (CI) engines. Especially, polyoxymethylene dimethyl ethers (PODE or OME) effectively avoid the formation of soot precursors like acetylene C2H2 due to the lack of carbon-carbon bonds. This characteristic alleviates the typical soot-NOx trade-off for diesel engines. However, OME’s different chemical composition and physical-chemical behavior need to be understood in depth to achieve combustion that provides the highest thermal efficiencies and lowest pollutant formation. Identifying the deviations in mixing, ignition behavior, flame morphology, and emission characteristics from conventional diesel-like fuelsnecessitates applying basic experimental and numerical research to characterize this group of fuels fully.In the course of this thesis, the spray combustion characteristics of OME3−5 fuel were analyzed. Using a commercial CFD code, the numerical results were validated with free-jet experiments in a constant-pressure vessel at diesel engine-relevant conditions and with a single-cylinder research engine with an optically accessible piston crown. The liquid penetration length was measured via Mie-scattering and diffused back-illumination (DBI). Air entrainment and mixing were determined using Rayleigh scattering and schlieren measurements. Ignition was detected with formaldehyde (CH2O) planar laser-induced fluorescence (PLIF) for the low-temperature flame and OH*-chemiluminescence for the high-temperature ignition.The aim of the present research was to gather the experimental data to validate a CFD model and generate additional insight into the OME combustion process that is otherwise impossible to obtain via experimental techniques. At first, the OME fuel’s inert and reactive spray characteristics compared to diesel-like n-dodecane were studied. A coherent liquid injection and spray breakup model was developed. A new chemical kinetic mechanism for OME1−6 spray combustion was derived as input to the CFD setup. The CFD model was then applied to the combustion process of the single-cylinder research engine. A systematic approach was developed to incorporate the significant losses caused by piston ring leakages (blow-by).The ignition behavior for the OME fuel was demonstrated to differ significantly from that of n-dodecane, showing highly elevated levels of reaction activity for OME in regions where nonoxygenated fuels like n-dodecane cannot form an ignitable mixture. The entire OME combustion process was proven to occur within a mixing regime that effectively prohibits soot formation.Additionally, an in-depth comparison of the cold-stage and hot-stage ignition for OME and n-dodecane, simulated employing Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) turbulence modeling approaches, was conducted. The overall validity of the RANS approach was proven with remarkable concordance to the OH*-chemiluminescence experiments at high ambient temperatures. At the same time, the advantages of LES were carved out by demonstrating its ability to capture small-scale fluctuations in the combustion process. In summary, the in-depth numerical analysis delivered valuable insights into the combustion characteristics of OME. The identified deviations for OME regarding ignition behavior, flame morphology, and transient operation compared to diesel-like fuels will help guide future applications of OME fuel in ICEs and elsewhere.