Decomposition kinetics of organic fluorescence tracers under IC-engine-like conditions: Shock-tube experiments and kinetic modeling

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Maas; Professor Dr. Christof Schulz
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 51237073

Die Gemischbildungs- und Kompressionsphase in Verbrennungsmotoren wird häufig über laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) von dem Kraftstoff beigemischten organischen Tracern untersucht. Bei hohen Temperaturen nahe der Selbstzündung zerfallen Tracer und Kraftstoff durch chemische Reaktionen. Der Tracer kann relativ zum Kraftstoff schneller oder langsamer zerfallen, es können zusätzliche fluoreszierende Produkte gebildet werden und es können Spezies entstehen, die den Kraftstoff und seine Zündung durch chemische Wechselwirkung beeinflussen. Diese Effekte können zu einer Fehlinterpretation gemessener Signale führen oder sogar die Reaktionsbedingungen verändern.In der ersten Projektphase wurden Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften sowie Zündverzugszeiten von Kraftstoff/Tracer-Gemischen für einige herkömmliche Tracer gemessen und mit detaillierten Chemiemodelle beschrieben. Zeitaufgelöste spektroskopische Untersuchungen erlaubten eine Untersuchung der Stabilität herkömmlicher Tracer bei hohen Temperaturen. Es wurde festgestellt, dass die Zersetzung mancher Tracer (z.B. Toluol) stark UV-absorbierende aber nicht fluoreszierende Fragmente bildet, während einige Ketone (z.B. Aceton) zur Bildung stark fluoreszierender Fragmente neigen. Dieses unterschiedliche Verhalten offeriert vielversprechende neue diagnostische Möglichkeiten, um den Reaktionsstatus einer Gasmischung abzubilden. Das Ziel der zweiten Projektphase ist es (a) die Untersuchungen auf weitere Tracer auszudehnen, für die jüngst vielversprechende spektroskopische Eigenschaften erkannt wurden I (Trimethylbenzol, Anisol, p-Difluorobenzol, o-Xylol), sowie auf Tracer mit höheren Siedepunkten, die für schwersiedende (z.B. Biomasse-basierte) Kraftstoffe wichtig sind (Naphthalin, 1-Methylnaphthalin). Zudem soll (b) die potentielle Nutzung der Fluoreszenz von Tracer-Fragmenten für diagnostische Zwecke untersucht werden. Das LIF-Experiment der ersten Phase soll so modifiziert werden, dass LIF-Messungen simultan an verschiedenen Stellen und somit bei verschiedenen Reaktionszeiten nach dem Auftreffen der Stoßwelle detektiert werden können. Komplementär zu den optischen Messungen soll die Spezieszusammensetzung mit hochrepetierender Massenspektrometrie und das Produktgas mit Gaschromatographie in einem Einzelpuls-Stoßwellenrohr untersucht werden, in dem die Reaktion nach einem vorgegebenen Zeitintervall unterbrochen werden kann. Um die Untersuchungen auf den Bereich geringerer Temperaturen und längerer Reaktionszeiten auszudehnen, soll eine Rapid Compression Machine ebenfalls eingesetzt werden. Zentrales Ziel ist es, Reaktionsmechanismen für die ausgewählten Tracer entwickelt werden. Diese gewählten Substanzen ermöglichen eine Mechanismenentwicklung mit vergleichsweise geringem Aufwand, da ein Basismechanismus für aromatische Komponenten bereits existiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Dr. Mustapha Fikri; Dr.-Ing. Robert Schießl