Teilprojekt A03 Suntz

Teilprojekt A03 Suntz

Untersuchung der Flamme-Wand-Interaktion bei rußender Verbrennung und Wandablagerungen

Motivation

Flammen interagieren äußerst intensiv mit (kalten) Wänden des Reaktionsraumes bis hin zur Verlöschung. Dies wird einerseits durch die Wärmeleitung und -strahlung an die Wand und der damit verbundenen Abnahme der Temperatur in der Reaktionszone und andererseits durch Vernichtung reaktiver radikalischer Zwischenprodukte durch Umsetzung an der Oberfläche der Wand verursacht. Eine Reihe der mit dem Abgas von Verbrennungsmotoren emittierten Schadstoffen, vor allem unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid (CO) und Ruß, werden bevorzugt von wandnahen Bereichen verursacht, da die stark abfallende Temperatur zum Quenchen von Reaktionsprozessen führt. Immer restriktiver werdende Abgasnormen lassen Verbrennungs- bzw. Flammenlöschvorgänge in unmittelbarer Umgebung (kalter) Brennraumwände im Hinblick auf die Gesamtschadstoffemission moderner Motorengenerationen zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Ziele

Es werden detailliert die Einflüsse von Ablagerungen auf den Brennraumwänden mit Blick auf die Flamme-Wand-Interaktion rußender- und nicht-rußender Verbrennungen untersucht. Ablagerungen entstehen bei der innermotorischen Verbrennung z.B. durch gebildeten Ruß aber auch durch die pyrolytische Zersetzung von Kraftstoffen. Diese ablagerungsbedingten Einflüsse sollen darüber hinaus mit denjenigen verglichen werden, die durch ganz gezielt aufgebrachte keramische Beschichtungen hervorgerufen werden. Die gewonnenen Ergebnisse dienen dazu, die Relevanz der Rußbildung bei der Verbrennung sowie derjenigen von Ablagerungen/Beschichtungen/Filmen auf die wandnahen thermodynamischen und chemischen Prozesse bei der Flamme-Wand-Interaktion detailliert und quantitativ zu untersuchen.

Methode

Die Experimente werden in enger Kooperation mit TP A04 (Dreizler) durchgeführt, in welchem ein Versuchsstand basierend auf einer mittels eines Drahtes stabilisierten vorgemischten V-Flamme entworfen und aufgebaut wird, deren einer Ast mit einer temperaturstabilisierten Wand interagiert (Abbildung 1 links). Mit einer identischen auch in Karlsruhe aufgebauten Versuchsanordnung kann das Sidewall Quenching (SWQ) zunächst unter laminaren, stationären Bedingungen untersucht werden. Die damit gewählte generische Konfiguration des SWQ-Brenners hat neben der optisch einfachen Zugänglichkeit den Vorteil, dass Ottomotor-ähnliche Verhältnisse damit vereinfacht abgebildet werden können.

Um das Sidewall Quenching vor dem geschilderten Hintergrund zu erforschen, sollen der eigens zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen entwickelte planare, optische Emissionstomograf (POET) sowie laserspektroskopische Verfahren und gegebenenfalls die Kombination beider Methoden zum Einsatz kommen (Abbildung 1 rechts). Nach geeigneter Modifikation ermöglicht der Tomograf den simultanen Nachweis mehrerer Spezies auch in Wandnähe bei unterschiedlichen Wellenlängen. Die simultane Detektion von OH* und/oder CH* bzw. C2* wird es ermöglichen, die an eine Wand heranbrennende Reaktionszone einer Flamme und deren Verlöschen zu visualisieren. Im Falle der rußenden Verbrennung kann der Einfluss der Wand mit und ohne Ablagerungsschichten auf die Verbrennung und auf die Bildung und Oxidation von Ruß durch die simultane Detektion von Ruß und OH* untersucht werden. Komplementiert werden diese (laser-) optischen In-situ-Messverfahren zur Untersuchung der (rußenden) Gasphase durch zeitgleiche Erfassung der Wandwärmeverluste mittels einer Matrix aus Thermoelementen zur Erfassung der lokalen Wandtemperaturen. Darüber hinaus kommen Methoden zum Einsatz, mittels derer die abgelagerten Schichten analysiert werden können. Hierzu sollen REM- und TEM-Verfahren zur morphologischen Charakterisierung sowie EDXS zur Bestimmung der Elementzusammensetzung der Ablagerungen zur Anwendung kommen.

Abbildung 1: Side-Wall-Quenching an einem drahtstabilisierten Brenner mit V-förmiger Flamme (links) und Tomografische Rekonstruktion der OH*-Verteilung einer nahezu laminaren Diffusionsflamme (rechts).
Abbildung 1: Side-Wall-Quenching an einem drahtstabilisierten Brenner mit V-förmiger Flamme (links) und Tomografische Rekonstruktion der OH*-Verteilung einer nahezu laminaren Diffusionsflamme (rechts).