Ab initio Verbrennungskinetik

 

Die Kinetik von Verbrennungsvorgängen wird von vielen Zwischenprodukten und deren Elementarreaktionen bestimmt. Diese Reaktionen werden in CFD-Simulationen eingesetzt, um Verbrennungsmotoren sparsamer und sauberer zu machen. Um quantitative Aussagen treffen zu können, werden Stoffdaten für die beteiligten Spezies sowie die Geschwindigkeiten der Elementarreaktionen benötigt. Oft werden diese Daten durch eine Korrelation mit Verbrennungsereignissen wie Selbstzündzeiten gewonnen.

Solche Stoffdaten sind auch mit physikalischen Methoden berechenbar, die in der Veranstaltung Combustion Chemistry vermittelt werden. Solche Berechnungen an potentiellen Biokraftstoffkomponenten sind Ziel dieses Projektes.

Die Methoden werden sowohl verbessert, um die relevanten Effekte genauer zu beschreiben, als auch auf Moleküle angewendet, die für den FSC-Cluster potentielle Biohybridkraftstoffe darstellen.

Das Vorgehen wird durch enge Zusammenarbeit mit Experimentatoren optimiert (siehe Projektpartner).

  Übergangszustand (TS) Butanon + Methyl Urheberrecht: © LTT

Mit der Juniorprofessur für physikalisch-chemische Grundlagen der Verbrennung und dem Institut für Technische Verbrennung (ITV) haben wir in der Vergangenheit Biokraftstoffkandidaten wie Butanol [1], Butanon [2], Dimethoxymethan [3], Diethoxymethan [4] und Cyclopentanol [5] untersucht.

Derzeit untersuchen wir systematisch die Biohybrid-Kraftstoffkandidaten 1,3-Dioxan, 1,3-Dioxolan und deren substituierte Derivate im Fuel Science Center. Auf der Basis von Berechnungen der Bindungsdissoziationsenergien (BDEs) und der Ratenkonstanten der H Abstraktion sowie der Ringöffnungsreaktionen des Kraftstoffs wird ein detaillierter Mechanismus entwickelt, der dabei hilft, das Zündverhalten dieser Kraftstoffe zu verstehen. Wir haben Ionisierungsenergien berechnet, um die wichtigsten Zwischenprodukte der Oxidation von 1,3-Dioxan in Experimenten mit strahlgerührten Reaktoren (Jet-Stirred Reactor, JSR) zu identifizieren. Die Abbildung zeigt einen typischen Übergangszustand der Wasserstoffabstraktion von 1,3-Dioxolan durch ein HO2-Radikal.

 

Zur Vorhersage der Bildung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAH) haben wir zusammen mit unserem Kooperationspartner ITV das resonanzstabilisierte Cyclopentadienylradikal (C5H5, RSR) untersucht. Dazu haben wir die temperatur- und druckabhängigen Reaktionsratenkonstanten auf der C5H5 Potentialfläche berechnet. Das weiterentwickelte kinetische Modell hilft dabei, den Einfluß dieser RSR auf die PAH- und damit Rußbildung in einer Niederdruck-Gegenstrom-Diffusionsflamme von Cyclopentadien zu ermitteln. Diese Arbeiten werden mit einem Vortrag auf dem 38. International Symposium on Combustion präsentiert.

 

Veröffentlichungen zu diesem Thema

  1. S. Vranckx, K. A. Heufer, C. Lee, H. Olivier, L. Schill, W. A. Kopp, K. Leonhard, C. A. Taatjes und R. X. Fernandes
    Role of Peroxy Chemistry in the High Pressure Ignition of n-Butanol – Experiments and Detailed Kinetic Modelling
    Combustion & Flame 158, 1444–1455 (2011).
  2. U. Burke, K. A. Heufer, Y. Uygun, H. Olivier, W. Kopp, K. Leonhard, J. Beeckmann und H. Pitsch
    A comprehensive experimental and kinetic modeling study of butanone
    Combust. Flame 168, 296-309 (2016).
  3. S. Jacobs, M. Döntgen, A. B. S. Alquaity, W. A. Kopp, L. C. Kröger, U. Burke, H. Pitsch, K. Leonhard, H. J. Curran und K. A. Heufer
    Detailed kinetic modeling of dimethoxymethane. Part II: Experimental and theoretical study
    of the kinetics and reaction mechanism

    Combust. Flame 205, 522 (2019).
  4. L. C. Kröger, M. Döntgen, W. A. Kopp, D. Firaha und K. Leonhard
    Ab initio kinetics predictions for H-atom abstraction from diethoxymethane by hydrogen, methyl, and ethyl radicals and the subsequent unimolecular reactions
    Proc. Combust. Inst. 37, 275-282 (2019).
  5. L. Cai, L. Kröger, M. Döntgen, K. Leonhard, K. Narayanaswamy, S. M. Sarathy, K. A. Heufer und H. Pitsch
    Exploring the combustion chemistry of a novel lignocellulose-derived biofuel: cyclopentanol. Part I: quantum chemistry calculation and kinetic modelling
    Combust. Flame 210, 490-501 (2019).