Chemische Grundlagen für die Modellentwicklung zur Motorenregelung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Teilprojekts TP 5 war die Bereitstellung fundamentaler chemischer Informationen für die Forschungsgruppe. Diese sollten das Verständnis chemisch-kinetischer Detailprozesse in den motorischen Teilprojekten TP 3 und TP 4 vertiefen und in die Modellentwicklung der Niedertemperaturverbrennung einfließen, die für die Regelung benötigt wird. Dabei lag der Fokus auf der Addition von Wasser als möglicher Größe für die GCAI-Verbrennung in TP 3 und auf der Bildung von Rußvorläuferspezies für die Modellbildung bei der PCCI-Verbrennung in TP 4. Um chemische Reaktionsmodelle zu prüfen und weiterzuentwickeln, die dann in die Regelung einfließen können, wurden in einander ergänzenden Experimenten umfängliche Sätze von Speziesprofilen an dafür optimierten Versuchsträgern wie Reaktoren und Flammen gewonnen. Für die Untersuchungen wurden die Surrogatbrennstoffe iso-Oktan (TP 3) und n-Heptan (TP 4) sowie zur vertieften Analyse der Reaktionswege zu aromatischen Spezies und deren Vorläufern auch mehrere C5 -Brennstoffe wie n-Pentan, 1-Penten und 2-Methyl-2-buten eingesetzt. Mittels Molekularstrahl-Massenspektrometrie unter Verwendung von Elektronenstoßionisation sowie der Photoionisation mittels Synchrotron-basierter Vakuum-UV-Strahlung wurden jeweils die Intermediate im reagierenden Gemisch, einschließlich wichtiger Isomere, identifiziert und soweit möglich quantifiziert. Für die Untersuchung der Effekte der Wasseraddition wurden zunächst laminare vorgemischte Niederdruckflammen mit iso-Oktan als Brennstoff mit unterschiedlichem Wasseranteil auf thermische Kühlungseffekte analysiert, wobei die Temperatur mit laserinduzierter Fluoreszenz bestimmt wurde; die thermische Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs ist ein wichtiger Aspekt bei der GCAI-Verbrennung in TP 3. In einem Strömungsreaktor sowie in einem Rührreaktor, deren Temperatur durch äußere Regelung vorgegeben ist, wurden chemisch-kinetische Effekte in der iso-Oktan-Verbrennung anhand von Speziesprofilen im Niedertemperaturbereich untersucht. Die Experimente wurden durch Simulationen unterstützt; die Modellierung erfolgte in Kooperation mit TP 4. Diese Analysen ergaben wertvolle Hinweise auf die Zusammensetzung der durch Wasseraddition zum Teil erhöhten Werte der Restkohlenwasserstoffe (uHC) im GCAI-Betrieb, die durch Messungen in Kooperation mit TP 3 im Abgas mittels FTIR-Spektroskopie gestützt wurden. Für die Untersuchung der Rußvorläuferbildung wurde eine Kombination von Versuchsträgern eingesetzt; hierzu zählten laminare vorgemischte Niederdruckflammen und nicht vorgemischte Flammen bei Atmosphärendruck sowie Strömungsreaktor und Rührreaktor für den Niedertemperaturbereich. Der Fokus lag hierbei auf den Reaktionen zur Bildung von Benzol und kleinen mehrkernigen Aromaten. Wiederum wurden massenspektrometrische Techniken mit den unterschiedlichen Ionisationsmethoden eingesetzt, um die Reaktionsvorgänge anhand einer Vielzahl von Speziesprofilen möglichst umfassend zu charakterisieren. Die Experimente wurden durch TP 4 mit Simulationen mittels detaillierter chemisch-kinetischer Modelle begleitet. Dabei stellte sich, ausgehend von weitgehend als bekannt vorauszusetzender Reaktionschemie für Brennstoffe mit bis zu vier Kohlenstoffatomen (C0 -C4 Bereich), heraus, dass bereits erhebliche Lücken für die brennstoffspezifische Rußvorläuferbildung bei C5-Brennstoffen vorlagen. Systematisch wurden daher zunächst Flammen einiger C5-Brennstoffe unterschiedlicher Molekülstruktur untersucht. Anhand dieser Daten konnten in TP 4 wesentliche Verbesserungen des Reaktionsmodells bezüglich der Reaktionspfade zu kleinen Aromaten erzielt werden. Der Vergleich der Brennstoffe untereinander zeigte ähnliche Reaktionssequenzen, jedoch deutliche Einflüsse der bereits zu Anfang der Reaktionskaskaden gebildeten brennstoffspezifischen Intermediate auf die Konzentrationen der Rußvorläuferspezies. Die Untersuchungen wurden dann in Kooperation mit TP 4 analog mit n-Heptan als Surrogatbrennstoff für die PCCI-Verbrennung in einer nicht vorgemischten Flamme sowie im Niedertemperaturbereich im Strömungsreaktor und im Rührreaktor fortgesetzt. Die Gesamtheit der Speziesprofile stellen wertvolle Validierungsdaten für die Reaktionsmodelle dar, deren Vorhersagequalität eine wesentliche Voraussetzung für die Übertragung in die motorische Regelung ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influences of the molecular fuel structure on combustion reactions towards soot precursors in selected alkane and alkene flames, Physical Chemistry Chemical Physics 20 (16) (2018) 10780–10795
Ruwe, L., Moshammer, K., Hansen, N., Kohse-Höinghaus, K.
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A new era for combustion research, Pure and Applied Chemistry 91 (2) (2019) 271–288
Kohse-Höinghaus, K.
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Chemical insights into the larger sooting tendency of 2-methyl-2-butene compared to n-pentane, Combustion and Flame 208 (2019) 182–197
León, L., Ruwe, L., Cai, L., Moshammer, K., Seidel, L., Shrestha, K. P., Wang, X., Mauss, F., Kohse-Höinghaus, K., Hansen, N.
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Detaillierte Untersuchungen zu den Einflüssen von Wasseraddition bei der Verbrennung von iso-Oktan im Hinblick auf homogenisierte Kompressionsbrennverfahren, 29. Deutscher Flammentag, Bochum, 17. und 18. September (2019)
Schmitt, S., Wick, M., Wouters, C., Graf, I., Andert, J., Hansen, N., Kohse-Höinghaus, K., Pischinger, S.
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The C5 chemistry preceding the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons in a premixed 1-pentene flame, Combustion and Flame 206 (2019) 411–423
Ruwe, L., Cai, L., Moshammer, K., Hansen, N., Pitsch, H., Kohse-Höinghaus, K.
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Effects of water addition on the combustion of iso-octane investigated in laminar flames, low-temperature reactors, and an HCCI engine, Combustion and Flame 212 (2020) 433–447
Schmitt, S., Wick, M., Wouters, C., Ruwe, L., Graf, I., Andert, J., Hansen, N., Pischinger, S., Kohse-Höinghaus, K.
