Untersuchungen zur chemischen Kinetik unvollständiger Oxidationsprozesse in Stoßwellenrohren

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Schulz
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 229243862

Zur Entwicklung von Polygeneration-Prozessen ist eine detaillierte Kenntnis der chemischen Vorgänge in Reaktionssystemen mit großem Brennstoffüberschuss notwendig. Dazu sind einerseits Informationen zu den Grenzbedingungen zwischen Gasphasenprozessen und Rußbildung erforderlich, andererseits werden validierte Reaktionsmechanismen benötigt, die dann die Basis der simulationsbasierten Entwicklung und Optimierung der Polygeneration bilden.In der ersten Antragsperiode wurde die partielle Oxidation von Methan bei phi = 2 untersucht. Additive waren notwendig, um die Selbstzündung von Methan zu beschleunigen und dadurch den Betrieb von selbstzündenden Motoren unter Polygeneration-Bedingungen zu ermöglichen. Dabei wurde außer CO2 und H2O vorwiegend Synthesegas (CO & H2) gebildet. In der zweiten Antragsperiode wurden die Untersuchungen auf brennstoffreichere Bedingungen erweitert, bei denen Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen aufgebaut und ungesättigte Kohlenwasserstoffe gebildet werden. Dabei wurde erstmals Erdgas als Brennstoff und DME und DEE als Additive eingesetzt. Messungen der Zündverzugszeiten und Produktverteilungen dienten als Entwicklungsgrundlage für den Reaktionsmechanismus der FOR1993 (PolyMech) in GM1. Da die Additive bei sehr brennstoffreichen Bedingungen einen großen Teil des Kraftstoffumsatzes ausmachen, wird in der nächsten Antragsperiode mit dem nunmehr etablierten Instrumentarium alternativ der Einfluss von Ozon als Additiv untersucht. Ozon bietet den Vorteil, schon in sehr geringen Konzentrationen die Reaktivität des Kraftstoffes zu erhöhen. Dieses Additiv kann darüber hinaus mit geringen Kosten mit einem Ozongenerator vor Ort erzeugt werden. Allerdings ist seine Reaktionskinetik im brennstoffreichen Bereich bisher nur unzureichend untersucht. Als Validierungsdaten für die Modellierung innerhalb der FOR1993 sollen Zündverzugszeiten, Endproduktkonzentrationen, und zeitaufgelöste Methan-, Ozon-, Kohlenmonoxidkonzentrationen und Temperaturen im Stoßwellenrohr unter Nutzung von Methan und Erdgas als Kraftstoffe bestimmt werden.Die Erhöhung der Luftmenge bei sehr brennstoffreichen Bedingungen vergrößert den Kraftstoffumsatz, führt aber auch zu höheren Endtemperaturen, sodass Ruß gebildet wird. Durch den Einsatz oxigenierter Additive kann die Rußbildung unterdrückt werden, da sie die untere Temperaturgrenze der Rußbildung zu höheren Temperaturen hin verschieben. In diesem Kontext soll die Eignung verschiedener Additive wie Alkohole oder Ether durch Messung von Rußinzeptionszeiten und Rußvolumenbrüchen im Stoßwellenrohr bestimmt werden. Zusätzlich sollen durch zeitaufgelöste Detektion der Rußvorläufer Benzol und PAH (polyzyklische Aromaten) über spektral und zeitaufgelöste Absorptionsmessungen die Grenzbedingungen für den Beginn der Rußbildung bestimmt werden. Daraus sollen auch bei Anwesenheit der verschiedenen Additive, Bedingungen bestimmt werden, bei denen im Motor die Rußbildung bei Polygeneration-Prozessen vermieden werden kann.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1993: Multifunktionale Stoff- und Energiewandlung
• Mitverantwortlich: Dr. Mustapha Fikri