Laseroptische Untersuchungen von Verbrennungsprozessen bio-hybrider Kraftstoffe

Eine verlässliche Energieversorgung und die Unabhängigkeit von Energie bestimmter Länder wurden im Jahr 2022 sowohl für Gesellschaft als auch Wirtschaft besonders relevant. Konventionelle Energieträger wie Öl und Gas müssen daher nicht nur aus ökologischer, sondern auch aus politischer Sicht durch regenerative Energieformen ersetzt werden. Regenerative Energieformen stellen bis zu 40% der elektrischen Energieversorgung Deutschlands bereit und bestanden im Jahr 2021 zu 70% aus Windund Solarenergie. Wind- und Solarenergie sind jedoch aufgrund des Sonnenstandes, des Wetters und der Jahreszeit volatil und damit weniger berechenbar und grundlastfähig als bisherige, konventionelle Energieformen. Die Volatilität dieser Energielieferungen kann durch die Speicherung der Energie in flüssigen Kraftstoffen überwunden werden, da diese eine hohe Energiedichte aufweisen, leicht gelagert und transportiert werden können. Die gespeicherte Energie kann dann durch Verbrennung zurückverwandelt werden. Um die bei der Verbrennung entstehenden Emissionen zu verringern, müssen verbesserte Verbrennungsprozesse entwickelt werden. Zudem sind sowohl konventionelle als auch neuartige Verbrennungsprozesse nicht vollständig verstanden. Die optische Verbrennungsdiagnostik kann dabei helfen, Daten wie Molekülkonzentrationen und Temperaturen, räumlich und zeitlich aufgelöst, im Inneren einer Verbrennung bereitzustellen, um hocheffiziente und emissionsarme Verbrennungstechnologien zu entwickeln.
In dieser Arbeit wird eine neuartige Verbrennungstechnik einer reaktivitätsgesteuerten Kompressionszündung (RCCI) mit kreuzenden Brennstoffstrahlen unterschiedlicher Reaktivität analysiert. Dazu werden Vermischung, Zündung und Verbrennung der beiden Brennstoffe unter Verwendung von Natrium als Tracer untersucht, um die Parameter für die Einspritzungen der Brennstoffe mit unterschiedlicher Reaktivität zu bestimmen. Diese Tracer-Technik wird zum ersten Mal auf eine RCCI-Verbrennung angewandt und kann die Verbrennungszonen beider Kraftstoffe auflösen, um zu bestimmen, inwieweit die Verbrennungsbedingungen homogen sind.
Basierend auf den ermittelten Einspritzparametern wird die RCCI-Verbrennung dann mit zwei-Photonen-laserinduzierter Fluoreszenz (TPLIF) analysiert, um Emissionsdaten in einem frühen Verbrennungszustand, der Hauptverbrennung und in der Abgasphase nach Beendigung der Verbrennung zu erhalten. Dazu werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe, sowie Kohlenmonoxid während der Vor- und Hauptverbrennung und in der Phase nach Beendigung der Reaktionen, ähnlich einer Abgasphase, untersucht. Die Bestimmung von Molekülkonzentrationen erfordert präzise Temperaturmessungen. Um Stickoxide bei der zweistufigen Verbrennung von n-Pentan abzuschätzen und erstmals ortsaufgelöste, quantitative Realtemperaturdaten zu bestimmen, werden in dieser Arbeit sowohl der Effekt der Raman-Streuung an Stickstoff als auch der Effekt der laserinduzierten Fluoreszenz an Stickstoffmonoxid genutzt. Die gemessenen Temperaturdaten liefern dabei erste Einblicke in die räumlich aufgelöste Temperaturverteilung während der ersten Stufe der Zündung, was für Simulations- modelle von großer Bedeutung ist.