Decomposition kinetics of organic fluorescence tracers under IC-engine-like conditions: Shock-tube experiments and kinetic modeling

• Applicants: Professor Dr. Ulrich Maas; Professor Dr. Christof Schulz
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2007 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 51237073

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Ziel des Projekts ist die Ausweitung des wissenschaftlichen Kenntnisstands zu Fluoreszenzmarkern (Tracer) in der optischen Verbrennungsdiagnostik unter Hochtemperatur-Bedingungen, bei denen während des Einsatzes bereits Zersetzungsreaktionen zu erwarten sind. Unter diesen Bedingungen stellen sich einige zentrale Fragen, die in diesem Vorhaben bearbeitet wurden:  Was sind die Stabilitätslimits der Tracer (bzgl. Temperatur und Reaktionszeit) bei Spitzentemperaturen, wie sie z.B. in der Kompressionsphase im Motor erreicht werden und wie sind spektralen Eigenschaften der Zersetzungsprodukte im Vergleich zu den Tracern?  Beeinflussen die Tracer den Zündvorgang von Kraftstoff/Luft-Gemischen?  Wie sind die optischen Eigenschaften (bzgl. Absorption und Fluoreszenz) der Tracer kurz unterhalb der Zersetzungstemperatur? Für diese Fragestellungen sind Experimente in Stoßwellenreaktoren erforderlich, da sie eine quasi-instantane Aufheizung der Tracer ermöglichen und somit Untersuchungen vor und während des Zerfalls. In ansonsten eingesetzten Strömungsreaktoren ist der untersuchbare Temperaturbereich aufgrund der langen Verweilzeiten auf deutlich geringere Temperaturen beschränkt. Da ließen sich die Zustände mit Spitzentemperaturen, wie sie kurzfristig in der Kompressionsphase in Motoren auftreten, mit den bisherigen Ansätzen nicht untersuchen. Zu den bereits vielseitig eingesetzten „Standard-Tracern“ (Aceton, 3-Pentanon, Biacetyl, Toluol) wurden in der ersten Förderperiode wertvolle Ergebnisse erarbeitet. Vielversprechende neuartige Tracer für die Verbrennungsdiagnostik sind beispielsweise Acetylen, Anisol, Xylol oder Trimethylbenzol. Die für die Anwendbarkeit dieser Stoffe als Tracer unabdingbare Charakterisierung der physikalischen sowie der chemischen Eigenschaften sind Gegenstand des vorliegenden Projektberichts. Im Rahmen des Teilprojektes wurde ein neuer experimenteller Aufbau verwirklicht, mit dem zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen hinter reflektierten Stoßwellen möglich sind. Das LIF-Experiment wurde so modifiziert, dass LIF-Messungen simultan an verschiedenen Stellen und somit bei verschiedenen Reaktionszeiten nach dem Auftreffen der Stoßwelle durchgeführt werden können. Mit dem neuen Aufbau wurden beispielhaft Emissionseigenschaften von Anisol und seinen Zerfallsprodukten ermittelt. Des Weiteren wurden kinetische und spektroskopische Untersuchungen von Toluol, Anisol und Acetylen durchgeführt und daraus photophysikalische Eigenschaften bei hohen Temperaturen ermittelt. Der Zerfall der Tracer wurde mit UV-und IR-Absorption und Flugzeitmassenspektrometrie bestimmt. Darüber hinaus wurden Zündverzugszeiten von reinen Tracern (Anisol, Trimethylbenzol) und Tracer/Brennstoff-Mischungen (Anisol/i-Oktan, TMB/i-Oktan, o-Xylol/i-Oktan) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Tracer die Zündung des Kraftstoffes nicht beeinflussen. Im Teilprojekt Maas wurden die gemessenen Zündverzugszeiten von Anisol aus dem Teilprojekt Schulz ergänzt um Messungen in einer Rapid-Compression-Machine (RCM) und damit der untersuchte Bereich zu geringeren Temperaturen (T = 810–940 K) ausgeweitet. Die chemische Kinetik und der Einfluss der Tracer auf Brennstoff/Luft-Gemische wurden mit Hilfe numerischer Simulationen in Hinblick auf die technische Anwendbarkeit dieser neuartigen Tracer untersucht. Hierbei wurden bereits vorhandene validierte Mechanismen zusammengeführt, um die gegenseitige Beeinflussung der chemischen Kinetik untersuchen zu können. Die in diesen Simulationen erhaltenen Zündverzugszeiten sind in guter Übereinstimmung mit den experimentell bestimmten Zündverzugszeiten für Tracer/Brennstoff/Luft-Gemische. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die untersuchten Tracer während der Selbstzündung bei niedrigen Temperaturen mit ähnlichen Geschwindigkeiten verbraucht werden wie der Brennstoff (iso-Oktan). Die gefundene Kopplung von Tracer-Verbrauch an Brennstoff-Verbrauch ist nach den durchgeführten Sensitivitätsanalysen auf brennstoffspezifische Reaktionen von iso-Oktan zurückzuführen. Der physikalische und chemische Einfluss von Tracern auf die motorische Verbrennung wurde beispielhaft für ein Toluol/iso-Oktan/Luft-Gemisch unter Vorgabe eines geeigneten Volumenprofils numerisch untersucht.

Publications

• “Temporally-and spectrally-resolved UV absorption and laser-induced fluorescence measurements during the pyrolysis of toluene behind reflected shock waves”, Appl. Phys. B 118 (2015) 295–307
  S. Zabeti, A. Drakon, S. Faust, T. Dreier, O. Welz, M. Fikri, C. Schulz
  
• “A shock tube and modeling study about anisole pyrolysis using time‐resolved CO absorption measurements", Int. J. Chem. Kinet. 49 (2017) 656–667
  B. Shu , J. Herzler, S. Peukert, M. Fikri, C. Schulz
  
• “Optical properties and pyrolysis of shock-heated gas-phase anisole”, Proc. Combust. Inst. 36 (2017) 4525–4532
  S. Zabeti, M. Aghsaee, M. Fikri, O. Welz, C. Schulz
  
• “Reaction-time-resolved measurements of laser-induced fluorescence in a shock tube with a single laser pulse”, Rev. Sci. Instr. 88 (2017) 115105
  S. Zabeti, M. Fikri, C. Schulz
  
• “Ultraviolet absorption and laser-induced fluorescence of shock-heated acetylene”, Proc. Combust. Inst. 36 (2017) 4469–4475
  S. Zabeti, M. Fikri, C. Schulz
  
• “A modeling study on the influence of aromatic fluorescence tracers on compression ignition engine operation”, SAE Technical Paper 2018-01-1784 (2018)
  R. Schießl, J. Sommerer