Reaktive Fluide

Die experimentelle Untersuchung des Zündverhaltens von Kraftstoffen und die Beschreibung der Ergebnisse mit reaktionskinetischen Mechanismen bilden die Grundlage für die Optimierung von Prozessen in Verbrennungsmotoren und für den Einsatz alternativer Kraftstoffe. Das Verständnis der Zündung ist auch für die Ausweitung der Motorverbrennung auf sehr kraftstoffreiche Bedingungen im Rahmen eines Polygeneration-Konzepts zur gleichzeitigen Erzeugung von mechanischer Energie und wertvollen Chemikalien von entscheidender Bedeutung. Entsprechende Messungen werden vor allem in einer Hochdruck-Stoßrohrkammer unter Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt, die denen in realistischen Motoren ähneln. Die Zündverzögerungszeit wird durch Messung der CH*- und OH*-Chemilumineszenz bestimmt. Entstehende Gasphasenprodukte werden durch sehr schnelle Probenahme gesammelt und mittels GC/MS bestimmt.

Zündversuche werden auch in der Stoßrohr 3 bei Drücken von bis zu 5 bar durchgeführt. Der Zündverlauf wird hier mittels IR-Spektroskopie erfasst, indem sowohl die CO-Konzentrationen als auch die Temperatur zeitaufgelöst bestimmt werden, was die Grundlage für die Validierung von Reaktionskinetikmechanismen bildet.

Die Zündung in Gegenwart von Öltröpfchen ist für moderne Verbrennungsmotoren mit hoher Leistungsdichte im Zusammenhang mit der Vorentzündung bei niedrigen Drehzahlen (LSPI) von großer Bedeutung. Dieser Prozess wurde im Hochdruck-Stoßrohr untersucht, indem Öltröpfchen verschiedener Zusammensetzungen in ein reaktives Kraftstoff-Luft-Gemisch eingespritzt und ihr Einfluss auf die Zündung mittels Chemilumineszenzmessungen und Hochgeschwindigkeitskameramessungen bestimmt wurden.   

Nichtidealität in Stoßwellenrohren
Stoßrohre werden häufig zur Bestimmung der Zündverzögerungszeiten in homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischen verwendet, da sie eine quasi-augenblickliche Erwärmung und klar definierte Bedingungen hinter der reflektierten Stoßwelle bieten. Dieses gewünschte ideale Verhalten unterliegt jedoch Einschränkungen, die verstanden werden müssen, um Fehlinterpretationen der Messergebnisse zu vermeiden.
Stoßrohre werden oft als ideale null-dimensionale Reaktoren mit konstantem Druck und konstanter Temperatur während der Messzeit angesehen. Diese Annahme ist für elementare kinetische Untersuchungen mit niedrigen Anfangskonzentrationen, niedrigen Drücken und kurzen Messzeiten gerechtfertigt. Bei der Bestimmung von Zündverzögerungszeiten sind diese idealen Bedingungen jedoch oft nicht mehr gegeben, da deutlich längere Messzeiten (> 10 ms) in Betracht gezogen werden und die hohe Reaktantenkonzentration zu einer nicht zu vernachlässigenden Wärmeabgabe führt, die zur Bildung von Detonationswellen führen und somit auch die Zündung an weiter entfernten Punkten der Stoßröhre beeinflussen kann. Ein Punkt, der vergleichsweise einfach zu berücksichtigen ist, ist der gasdynamische Druckanstieg (dp/dt) in der Messebene, der mit Hilfe von Piezo-Druckwandlern ermittelt wird. Durch die Implementierung dieses Druckanstiegs in die Simulationen kann die Übereinstimmung zwischen Simulationen und Experimenten deutlich verbessert werden, insbesondere bei Brennstoffen wie Wasserstoff, die eine sehr hohe Aktivierungsenergie aufweisen. Der Druckanstieg kann durch bauliche Maßnahmen erheblich reduziert werden. Wesentlich schwieriger ist die Berücksichtigung einer nicht idealen Zündung durch Membranpartikel oder in Bereichen, die weiter vom Endflansch entfernt sind, die insbesondere bei langen Zündverzögerungszeiten und unverdünnten Gemischen auftreten. Diese werden mit schnellen Hochgeschwindigkeitskameras oder mit Druck-/Chemilumineszenzdetektoren untersucht, die an verschiedenen Positionen entlang der Stoßrohr-Achse angebracht sind. Durch Zugabe von Inertgasen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und durch Verwendung kleinerer Volumina reaktiven Gases (Einschränkungsvolumen) können die nicht idealen Zündungseffekte reduziert werden.