Kinetic investigations of gaseous fuels through ignition delay time and species mole fraction measurements at high pressures

  • Kinetische Untersuchungen von gasförmigen Brennstoffen durch Messungen von Zündverzugszeiten und der Speziesmolenbrüchen bei hohen Drücken

Ramalingam, Ajoy; Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor); Curran, Henry (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Verbrennungsmotoren bilden nach wie vor ein praktikables Mittel zur Energieerzeugung oder zum Transport von Personen und Gütern. Die Erhöhung der Wirkungsgrade und die Reduzierung der Schadstoffemissionen bei gleichzeitiger Erstellung eines kostengünstigen Endproduktes sind weiterhin priorisiert in diesem Forschungsgebiet. Das Verständnis von grundlegenden physikalisch-chemischen Parametern ist dabei mit der Verbesserung der Wirkungsgrade und der Reduzierung von Schadstoffemissionen verknüpft. Um dieses Verständnis zu erlangen, bedarf es Grundlagenuntersuchungen zur Verbrennung konventioneller Kraftstoffe und potenzieller alternativer Kraftstoffe, die Einblicke in deren Oxidationspfade und die Bildung schädlicher Spezies während des Verbrennungsprozesses gewähren. Um einen umfassenden Einblick in die Kraftstoffoxidation zu erhalten, werden diese Untersuchungen für eine Vielzahl anwendungsrelevanter Konditionen durchgeführt. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Etablierung von Techniken zur experimentellen Erforschung der Oxidation gasförmiger Brennstoffe bei erhöhten Druckbedingungen. Unter diesem Aspekt wird eine „Rapid Compression Machine“ verwendet, um Zündverzugszeiten in einem Druckbereich von 20 bar bis 160 bar zu messen, wobei Drücke über 50 bar in der Literatur wegen Limitierungen der experimentellen Einrichtungen nicht oft untersucht wurden. Zum Zweiten, wird als Teil der Messtechnikentwicklung eine Gasprobenentnahme aus dem Reaktor der „Rapid Compression Machine“ während der Zündverzugsperiode in dieser Arbeit entwickelt. Die entnommenen Proben werden mit Gaschromatographie- und Massenspektrometriemethoden analysiert, um Informationen über stabile Zwischenspezies, die während des Oxidationsprozesses der Brennstoffe gebildet werden, zu erhalten. In der Literatur wurden Gasprobenentnahmetechniken zwar schon oft verwendet, waren aber bislang limitiert auf niedrige Drücke und verdünnte Konditionen. In dieser Arbeit wird eine Herangehensweise etabliert, bei der Molenbruchprofile stabiler Zwischenspezies bei höheren Drücken und unverdünnten Konditionen gemessen werden können. Zusätzlich wird die Möglichkeit betrachet, die in der „Rapid Compression Machine“ etablierte Gasprobenentnahmetechnik auf das Stoßrohr zu übertragen. In der gesamten arbeit werden jeweils die Herangehensweise an die Messungen unter den verschiedenen Bedingungen und die sich ergebenden experimentellen Unsicherheiten ausführlich erläutert. Schließlich werden alle experimentellen Daten, die in dieser Arbeit gemessen wurden, bei der Entwicklung und Optimierung eines kinetischen Mechanismus verwendet. Vornehmliches Ziel war dabei, einen konsistenten detaillierten chemischen reaktionskinetischen Mechanismus zu erhalten. Der entwickelte Mechanismus (NUIGMech1.0) wird genutzt, um mit Sensitivitäts- und Reaktionspfadanalysen Reaktionspfade zu diskutieren, die die Reaktivität des Kraftstoffs kontrollieren. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden die reinen Komponenten Methan, Ethan, Propan, Propen, Gemische dieser, LPG-Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge und Propylenoxid untersucht.

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