Visualisierung von Rußbildung und -oxidation bei der Verdampfung von Kraftstofffilmen

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Kaiser
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464457035

Die Bildung von festen Rußpartikeln aus gasförmigen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) – beides wichtige karzinogene Schadstoffe in der Verbrennung – ist noch nicht gut verstanden. PAK fluoreszieren nach Anregung im sichtbaren und ultravioletten (UV) Spektralbereich. Die Anregungs- und Emissionsspektren verschieben sich mit zunehmender Molekülgröße zu längeren Wellenlängen. Das lässt sich ausnutzen, um die Stufen des PAK-Wachstums durch laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) optisch abzubilden. Ruß wiederum kann durch im infraroten angeregte laserinduzierte Inkandeszenz (LII) detektiert werden. So ist prinzipiell die optische Nachverfolgung des Rußbildungsprozesses möglich. Allerdings konzentrierten sich bisher entsprechende Arbeiten im Labor auf laminare Flammen und in der technischen Verbrennung auf Dieselmotoren, deren „Rußproblem“ wohlbekannt ist. Aber auch in modernen Ottomotoren können signifikante Mengen PAK und Ruß gebildet werden. Dies geschieht hauptsächlich, wenn die Benzineinspritzung die Wand mit Kraftstoff benetzt, der dann schlecht verdampft. In diesem Projekt werden optisch abbildende Messtechniken entwickelt und eingesetzt, um die Bildung und Oxidation von PAK und Ruß durch flüssige Kraftstofffilme abzubilden und besser zu verstehen. Insbesondere wird untersucht, ob die Rußbildung im Ottomotor eher als Hochtemperatur-Pyrolyse in einem sauerstoffarmem Umfeld oder eher in einer Diffusionsflamme abläuft. Es wird analysiert, wo und wann im Brennraum Rußoxidation stattfindet, in welchem Maße PAK unterschiedlicher Größenklassen der Oxidation durch Hydroxyl-Radikale (OH) ausgesetzt sind, und was der Einfluss von Temperatur, Einspritzmenge und Kraftstoffart auf die räumlich-zeitliche Struktur des Übergangs von PAK zu Ruß und der Oxidation von PAK und Ruß ist. Die Experimente stellen auch über das Projekt hinaus nutzbare Daten zur Entwicklung entsprechender Simulationsverfahren zur Verfügung, unter anderem in der internationalen Kooperation des „Engine Combustion Network“.Dazu werden hauptsächlich Untersuchungen in einem optisch zugänglichen Forschungsmotor durchgeführt. Die Bildung und Verdampfung der Kraftstofffilme wird durch LIF quantitativ abgebildet. Parametervariationen schließen das Verbrennungsluftverhältnis, die Kraftstoffzusammensetzung und die Wandtemperatur ein. In einer gut charakterisierten laminaren Diffusionsflamme werden die Anregungswellenlängen und Detektionsbänder systematisch variiert, um Kombinationen zu finden, die eine Größenklassen-spezifische Detektion von PAK ermöglichen, spezifisch, und dennoch signalstark sind. Geeignete Kombinationen werden dann im Motor benutzt. Um die räumlich-zeitliche Abfolge von Rußbildung und -oxidation zu untersuchen, werden geeignete Kombinationen aus PAK-LIF, Ruß-LII und OH-LIF simultan verwendet. Diese Lichtschnitt-Verfahren werden durch sichtlinienintegrierende, zeitlich hochauflösende „Hochgeschwindigkeits“-Visualisierungen der Verbrennung ergänzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen