Laserspektroskopische Analyse von selbstzündenden motorischen Einspritzstrahlen alternativer Biokraftstoffe

  • Laser spectroscopic analysis of self-igniting engine fuel injection jets of alternative biofuels

Raffius, Thomas Michael; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Grünefeld, Gerd (Thesis advisor)

1. - Aachen : Wissenschaftlicher Verlag Mainz GmbH (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge zur Technischen Thermodynamik 27
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (X, 96 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Eine wichtige Einflussgröße bei der Entstehung von Schadstoffen in der Verbrennung ist die Temperatur. Jedoch fehlen quantitative ortsaufgelöste Messungen der Temperatur und Spezies in brennenden Dieselstrahlen, insbesondere im Inneren der Verbrennung. Durch Lichtdämpfung und störende Lichtemissionen sind dabei optische Untersuchungen nicht möglich. Diese Faktoren werden jedoch bei nicht-rußenden dieselartigen Jets reduziert, wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt, da das Licht nicht durch Ruß abgeschwächt wird und störende LIF (laserinduzierte Fluoreszenz) von PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) wesentlich geringer ist. Die Arbeit teilt sich in drei Bereiche auf. Zuerst wird die Methodik anhand eines nahezu rußfreien Kraftstoffs evaluiert. Um die Messtechnik in Situationen mit stärkerer Rußbildung näher zu prüfen wird der im ECN (Engine Combustion Network) verwendete Kraftstoff n-Heptan verwendet. Zu guter Letzt werden Kraftstoffe des Exzellenzclusters TMFB (Tailor-Made Fuels from Biomass) untersucht (Di-n-butylether (DNBE) und n-Octanol und ein Blend daraus), die nach früheren Motorstudien geringe Rußneigung bei der dieselähnlichen Verbrennung zeigen. Dieser Befund ist für reines DNBE nicht vollständig verstanden, da dieser eine sehr hohe Cetanzahl aufweist (∼ 100). Die aktuellen Ergebnisse zeigen, dass die Thermometrie mit SRS (spontane RamanStreuung), die von einem UV-Laser (ultraviolett) angeregt wird, auch im Kern eines nicht rußenden dieselartigen Strahls in einer Druckkammer möglich ist. Es werden zwei diagnostische Ansätze bewertet. Die erste basiert auf der spektralen Bandenform der Stokes (rot verschoben) SRS von N2, während das Verhältnis von integrierten Stokes zu anti-Stokes (blau verschoben) N2-SRS im zweiten ausgenutzt wird. Die Daten des zweiten Verfahrens sind aus [1, 2] entnommen. Es stellt sich heraus, dass die erste Methode vorteilhaft ist in Bezug auf die Lichtdämpfung durch molekulare Spezies, den Einfluss störender Emissionen und die daraus resultierende Einzelschussfähigkeit. Darüber hinaus ermöglichen die aufgezeichneten Spektren im Strahlkern, dass zusätzliche quantitative Speziesmessungen mit SRS möglich sind. So wird beispielsweise der Molenbruch von CO in dieser Arbeit erstmals im Strahlkern quantifiziert. Bei der Untersuchung des Kraftstoffs n-Heptan werden Auswirkungen der Inhomogenität des Vorverbrennungsgemisches insbesondere bei niedrigerem Einspritzdruck (700 bar) beobachtet. Starke Abweichungen von den adiabatischen Gleichgewichtsbedingungen in Bezug auf Temperatur und CO-Molenbruch sind in besonders kraftstoffreichen Paketen zu beobachten. Die CO-Bildung wird dort offenbar durch turbulente Vermischung beeinflusst. Relativ niedrige Temperaturen werden im Bereich der Flammenabhebehöhe gemessen, insbesondere für den höchsten Einspritzdruck (1500 bar), was auf eine mögliche Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung hinweist. Für den Kraftstoff DNBE wird insbesondere die innere Flammenstruktur durch SRS und LIF analysiert. Daraus ergeben sich Informationen über die lokale Temperatur und die Konzentrationen von O2, CO und PAK. Es wird ein Vergleich der in [2, 3] quantifizierten O2 und den qualitativen O2-LIF unternommen. Mittels O2, CO und PAK wird der Lufteintrag im inneren Flammenkern bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lufteinschlusse für reines DNBE besonders stark sind, was seine hohe Rußoxidationsrate und die insgesamt geringe Rußneigung erklären könnte. Ein hoher Lufteintrag ist womöglich auf die geringe Wärmeabgaberate von DNBE zurückzuführen, was wahrscheinlich ein Effekt seiner hohen Entzündlichkeit ist. So kann geschlossen werden, dass die hohe Cetanzahl von reinem DNBE nicht nur zu einer relativ schlechten Vorbereitung des Vorverbrennungsgemisches und damit zu einer erheblichen Rußbildung, sondern scheinbar auch zu einer besonders starken Rußoxidation führt. Darüber hinaus erweist sich die Strahlstruktur für die DNBE/n-Octanol Mischung und des n-Heptan als sehr ähnlich, was darauf hindeutet, dass der Nettoeffekt von Flüchtigkeit und Sauerstoffgehalt im Kraftstoff schwach ist.

Einrichtungen

  • Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse [080026]
  • Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik [412110]

Identifikationsnummern