Minderung der NOx-Emissionen bei pulsierender Detonationsverbrennung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Neda Djordjevic
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317741329

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Detonationsbasierte druckerhöhende Verbrennung (Pressure Gain Combustion, PGC) steigert die Effizienz, indem sie den thermodynamischen Zyklus der Verbrennung verändert. Daher kann sie eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung zukünftiger Verbrennungskonzepte spielen. Allerdings bleibt der Umgang mit gasförmigen Schadstoffemissionen aufgrund hoher Temperaturen und Drucke bei Detonationen eine offene Forschungsfrage. Dieses Forschungsprojekt zielte auf ein besseres Verständnis des Einflusses von Betriebsbedingungen auf die Bildung gasförmiger Schadstoffe in einem Mehrzyklus-Pulsdetonationsbrenner (PDC) ab. Hierzu wurden experimentelle und numerische Studien durchgeführt, sowie mögliche Strategien zur Minderung dieser Emissionen diskutiert. Zu diesem Zweck wurden ein Messkonzept zur Analyse von Gasproben aus dem instationaren Abgas eines PDCs etabliert und vereinfachte numerische Modelle eingeführt. Besonderes Augenmerk wurde darauf gelegt, dass Messungen und numerische Ergebnisse repräsentativ für die zyklusgemittelten Emissionen sind und bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen vergleichbar bleiben. Der Vergleich von experimentellen und numerischen Ergebnissen zeigte die entscheidende Rolle der Modellierung von Wärmeverlusten. Werden diese berücksichtigt, dann produzieren die Modelle gute Vorhersagen für NOx- und CO-Konzentrationen in H2- und C2H4-Detonationen, welche bis zu mehrere Tausend ppm erreichen können. Thermisches NO ist der primare Bildungsweg aufgrund der hohen Temperaturen. CO-Emissionen werden durch Gleichgewichtskonzentrationen kontrolliert, die von Wärmeverlusten und Produktgastemperaturen beeinflusst werden. Konventionelle, auf Verdünnung basierende Methoden zur primaren Schadstoffreduktion verringern die Detonationsfähigkeit und können bei hohen Verdünnungsraten zum Scheitern der Detonationsinitiierung führen. Hierbei hat sich die Detonationszellgröße λ als nützliche universelle Größe zur Quantifizierung der Detonationsfähigkeit erwiesen, unabhängig von der Wahl des Brennstoffs oder der Initialbedingungen. Unter Verwendung des prüfstandsspezifischen Grenzwerts für λ konnte gezeigt werden, dass nur mit Vorverdichtung magere Gemische und Abgasruckfuhrung (EGR) als vielversprechendste Strategien eine theoretische NOx-Reduktion von bis zu 98 % versprechen. Darüber hinaus hat sich die Steigerung der Detonationsfahigkeit durch gestufte Brennstoffverteilung als nur eingeschränkt wirksam herausgestellt, da die dabei entstehenden Reaktivitatsgradienten ein zusätzliches Hindernis für die Etablierung einer kontinuierlichen Detonationswelle darstellen. Für viele Konfigurationen ist in diesem Fall ein Entkoppeln der Stoßfont von der Reaktionszone zu erwarten. Die durch dieses Forschungsprojekt generierten Daten und Methoden bieten eine Basis und ein Rahmenwerk zur Unterstützung zukünftiger Forschung, um PGC zu einer emissionsarmen Technologie zu machen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Experimental and low-dimensional numerical study on the application of conventional NOx reduction methods in pulse detonation combustion. Combustion and Flame, 233, 111593.
  Garan, Niclas & Djordjevic, Neda
  
• Unsteady Effects on NOx Measurements in Pulse Detonation Combustion. Flow, Turbulence and Combustion, 107(3), 781-809.
  Hanraths, Niclas; Bohon, Myles D.; Paschereit, Christian Oliver & Djordjevic, Neda
  
• “Detonationszellengröße als möglicher Auslegungsparameter für emissionsarme Pulsdetonationsverbrennung”. In: 30. Deutscher Flammentag. Garbsen: Deutschen Sektion des Combustion Institutes und Deutsche Vereinigung fur Verbrennungsforschung, Sep. 2021.
  N. Garan & N. Djordjevic
  
• “Stratified fuel injection as a measure for NOx mitigation in pulse detonation combustion”. In: European Combustion Meeting. 2021.
  N. Garan, F. Habicht, C. O. Paschereit & N. Djordjevic
  
• Consistent emission correction factors applicable to novel energy carriers and conversion concepts. Fuel, 341, 127658.
  Garan, Niclas; Dybe, Simeon; Paschereit, Christian Oliver & Djordjevic, Neda
  
• “Applicability of a low-resolution URANS Simulation for Deflagration to Detonation Transition Prediction in a Pulse Detonation Combustor”. In: Proceedings of the 11th European Combustion Meeting. 2023.
  A. Mohammadkhani & N. Garan
  
• “Gaseous Pollutant Emissions from Pulse Detonation Combustion”. Diss. Technische Universitat Berlin, 2024.
  N. Garan