Experimentelle und reaktionskinetische Untersuchungen über die Bildung von NO unter erhöhten Drücken mittels Laserdiagnostik an einer Rapid Compression Machine

 

Hintergrund

Bei vielen heutzutage genutzten technischen Verbrennungsprozessen von Kohlenwasserstoffen (z.B. in Dieselmotoren oder Gasturbinen) stellt die Entstehung von Stickoxiden (NO_x) als gesundheits- und umweltschädliche Schadstoffe ein großes Problem dar. Um vor allem die Emission von Stickstoffmonoxid (NO) durch Optimierung der Brennverfahren in Motoren weiter reduzieren zu können, sind u. a. akkurate kinetische Modelle der NO-Bildungsprozesse notwendig.

Während der Mechanismus der Bildung von sogenanntem thermischen NO bei hohen Temperaturen weitestgehend gut verstanden ist, bestehen bei den Modellen für die NO-Bildungsmechanismen über Reaktionen mit CH- und CH₂-Radikalen bei niedrigen und mittleren Temperaturen (sogenanntes prompt-NO) noch größere Verständnislücken und Diskrepanzen zwischen vorhergesagten und gemessenen NO-Konzentrationen. Hinzu kommt, dass NO, welches in modernen Brennverfahren durch Abgasrückführung bereits vor der Zündung im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhanden ist, nachgewiesenermaßen die Niedertemperaturreaktionskinetik verändert. Dies kann allerdings durch aktuelle Modelle nur unzureichend wiedergegeben werden.

 

Projektziele

Ziel dieses Projekts ist es, ein verbessertes Verständnis der Reaktionskinetik von NO unter motorrelevanten Drücken insbesondere im niedrigen und mittleren Temperaturbereich (500 - 1000 K) zu erhalten. Das Projekt wird zusammen mit der Forschungsgruppe Physico-Chemical Fundamentals of Combustion (PCFC) durchgeführt. An einer Rapid Compression Machine (RCM) des Kooperationspartners werden verschiedene, für Dieselmotoren relevante NO-dotierte Kraftstoff-Luft-Gemische durch schnelle Verdichtung zur Zündung gebracht. Damit kann gezielt die Kinetik der Zünd- und Reaktionsprozesse in der homogen vorgemischten Gasphase ohne die im Motor auftretenden Einflüsse von Verdampfung, Gemischbildung und Strömung untersucht werden. Mittels laseroptischer Messverfahren, wie laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) und spontaner Raman-Streuung, werden dabei quantitative 1D-Ortsprofile der NO-Konzentration und der Temperatur im Brennraum während der frühen Reaktionsprozesse berührungslos gemessen. Mit den gewonnenen Messwerten sollen die vorhandenen reaktionskinetischen Modelle durch das PCFC validiert und optimiert sowie weiterentwickelt werden.