Reaktive Fluide

Ziel

In Stoßrohren werden schnelle Gasphasenreaktionen untersucht. Eine durch Gasexpansion verursachte Stoßwelle erhitzt das reaktive Gasgemisch innerhalb von Mikrosekunden auf Temperaturen von bis zu mehreren tausend Kelvin, und die nachfolgenden Reaktionen werden mit optischen Methoden beobachtet. Das Hochdruck-Stoßrohr des EMPI ermöglicht die Untersuchung der Zündverzögerungszeiten von unverdünnten Kraftstoff-Luft-Gemischen, um die Zündeigenschaften von Kraftstoffen für Motoranwendungen und Sicherheitsüberlegungen zu beschreiben. Von Interesse ist die Abhängigkeit der Reaktionseigenschaften von der Kraftstoffzusammensetzung. Die gewonnenen Daten unterstützen die theoretische Beschreibung und Modellierung des Verbrennungsprozesses, sodass neue Kraftstoffe (z. B. auf Basis von Biomasse) eingesetzt und Kraftstoffe für spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden können. Kraftstoff-Gas-Luft-Gemische werden untersucht, um Daten für die Entwicklung emissionsarmer Gasturbinen oder für die Sicherheitstechnik zu liefern.

Verfahren

Die Stoßwellenröhre hat eine Gesamtlänge von 12,5 m und einen Innendurchmesser von 90 mm. Sie ist durch eine Aluminiummembran (Dicke bis zu 7 mm) in einen Hochdruckbereich (6,1 m) und einen Testbereich (6,4 m) unterteilt. Die reaktiven Gase werden in einem druckfesten Edelstahltank gemischt und in den Testbereich eingefüllt. Der Hochdruckabschnitt wird mit einem He/Ar-Gemisch gefüllt, bis die Membran platzt (max. 100 bar). Durch die Einstellung des Gasgemisches sind Testzeiten von bis zu 15 ms möglich. Der maximale Druck im Rohr beträgt 500 bar. Das System kann auf bis zu 250 °C erhitzt werden, um schwerflüchtige Kraftstoffe zu testen. Drucksensoren überwachen die Schockwellengeschwindigkeit und die Zündung. Die Chemilumineszenz wird über Photomultiplier und optional mit Hochgeschwindigkeitskameras durch ein Fenster im Endflansch und mehrere Fenster in der Seitenwand gemessen. Ein schnell öffnendes Ventil ermöglicht die Gasentnahme in der Abkühlphase, um die Produktgaszusammensetzung zu bestimmen, z. B. nach der Zündung sehr kraftstoffreicher Gemische. Ein Piezo-Druckinjektor wird für die Einspritzung von Öltröpfchen unter reflektierten Stoßbedingungen verwendet. Ein 50 cm vom Endflansch entferntes Schieberventil ermöglicht sogenannte Volumenbegrenzungsmessungen, d. h. das reagierende Gemisch wird nur in diesem Abschnitt eingeschlossen und nach der Kompression (reflektierte Stoßbedingungen) ist die Reaktion auf den Bereich nahe dem Endflansch beschränkt. Diese Strategie reduziert Druckschwankungen und unerwünschte inhomogene Zündungen erheblich. Ein Doppelmembransystem ermöglicht ein kontrolliertes Brechen der Membranen.