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Open Access
Anwendung und Bewertung numerischer und experimenteller Methoden zur Analyse und Entwicklung eines Zweitakt-Freikolbenmotors
(2017) Haag, Johannes Andreas; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung und Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems eines Freikolbenmotors mit elektrischer Energieauskopplung. Dieser sogenannte Freikolbenlineargenerator (FKLG) zeichnet sich durch einen freischwingenden Aufbau ohne die mechanische Zwangsführung eines Kurbeltriebes aus. Der Verbrennungskolben, der Läufer des Lineargenerators und der Gasfederkolben sind zu einer Kolbeneinheit zusammengefasst, die zwischen der Gasfeder und dem verbrennungsmotorischen Brennraum schwingt. Dieser Aufbau führt zu neuen Freiheitsgraden in der verbrennungsmotorischen Prozessführung, da Verdichtungsverhältnis und Kolbenhubkurve variabel angepasst werden können. Ein mögliches Anwendungsgebiet des Freikolbenlineargenerators ist der Einsatz als mobile Stromerzeugungseinheit in einem batterieelektrischen Fahrzeug. In vorangegangenen Arbeiten wurden der Lineargenerator, die Gasfeder und das verbrennungsmotorische Teilsystem der ersten Generation entwickelt und untersucht. Dies erfolgte schwerpunktmäßig im Hinblick auf die Regelung eines freischwingenden Gesamtsystems. Die vorliegende Arbeit rückt die Prozesse im Brennraum des verbrennungsmotorischen Teilsystems in den Vordergrund. Die Herausforderungen des Zweitakt-Arbeitsprozesses im Freikolbenlineargenerator sind der ventilgesteuerte Ladungswechsel mit Kopfumkehrspülung, die innere Gemischbildung und die Verbrennung bei hohen Restgasgehalten. Zur Analyse und Optimierung dieser innermotorischen Vorgänge werden Entwicklungsverfahren ausgearbeitet, angewendet und bewertet. Das Zielbild ist dabei ein effizienter, stabiler und emissionsarmer verbrennungsmotorischer Prozess unter Ausnutzung der konzeptbedingten Variabilitäten. Durch den Einsatz eines vollvariablen Ventiltriebsystems unterscheiden sich die Bedingungen des Ladungswechsels im kopfumkehrgespülten Brennraum des FKLG deutlich von denen in klassischen schlitzgesteuerten Zweitakt-Motoren. Das Entwicklungsverfahren zur Analyse der innermotorischen Strömungsfelder während des Ladungswechsels kombiniert Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen mit strömungsmechanischen Simulationen. Hierzu wurde ein Prüfstandsaufbau entwickelt, der eine Vermessung der Strömungsfelder im ungefeuerten Betrieb erlaubt. Simulations- und Messergebnisse zeigen übereinstimmend eine Überlagerung aus Tumble- und Drall-Strömung im Zylinder. Während sich die Simulation zur Voraussage der charakteristischen Strömungsstrukturen sehr gut eignet, sind der Genauigkeit, mit der lokale Strömungsgeschwindigkeiten berechnet werden können, Grenzen gesetzt. Der dargelegte laserdiagnostische Messaufbau erlaubt eine Einordnung der Simulationsergebnisse und sichert damit die Analyse der Zylinderinnenströmung wesentlich ab. Das Entwicklungsverfahren zur Untersuchung einer homogenen selbstzündenden Verbrennung in einem verbrennungsmotorischen Teilsystem der zweiten Generation basiert auf der Kombination von strömungsmechanischen Simulationen mit experimentellen Untersuchungen am Verbrennungsmotorprüfstand. Dabei wird ein auf innermotorische Anwendungen optimierter Simulationsansatz eingesetzt, der die strömungsmechanischen Vorgänge im Brennraum und den strömungsführenden Kanälen über mehrere Arbeitsspiele bei vergleichsweise geringen Rechenzeiten räumlich abbildet. In der vorliegenden Arbeit wird der Entwicklungsprozess von Auslegungssimulationen über die Konstruktion bis hin zur experimentellen Untersuchung eines homogenen selbstzündenden Brennverfahrens im neuen Versuchsträger beschrieben. Das verbrennungsmotorische Teilsystem der zweiten Generation ermöglicht Betriebsstrategien mit innerer Abgasrückführung, sodass durch hohe Restgasgehalte eine Selbstzündung der Zylinderladung eingeleitet wird. Am hydraulisch unterstützten Verbrennungsmotorprüfstand wird erstmalig ein homogenes selbstzündendes Brennverfahren in einem Freikolbenmotor dieser Bauart experimentell untersucht. Die Messergebnisse weisen nach, dass eine dynamische Anpassung der Kolbenbewegung positiv zur Steuerung des Zündzeitpunktes und damit der Wärmefreisetzung genutzt werden kann. Die ermittelten Druckanstiegsraten liegen bei gleichem Mitteldruck deutlich unter den Vergleichswerten von kurbelwellenbasierten Verbrennungsmotoren mit homogener Selbstzündung. Der eingesetzte innovative Simulationsansatz zeigt sich als ideales Werkzeug zur Analyse und Auslegung des verbrennungsmotorischen Teilsystems. Im Zuge der Entwicklung des verbrennungsmotorischen Teilsystems der zweiten Generation zeigte sich, dass zur Verbesserung der Gemischbildung und -aufbereitung eine genauere Betrachtung des Einspritzvorgangs erforderlich ist. Das hierzu angewandte Entwicklungsverfahren kombiniert räumlich hochaufgelöste Strömungssimulationen mit laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) Messungen. Die laserdiagnostische Untersuchung des Einspritzvorgangs erfolgt an einem optisch zugänglichen Versuchsträger im gefeuerten Betrieb. Es wird ein Messaufbau des LIF Verfahrens eingesetzt, der das bestrahlende Laserlicht und das Fluoreszenzsignal durch nur ein Fenster im Kolbenboden in den Brennraum ein- und auskoppelt. Ein Vergleich der Simulation mit laserdiagnostischen Messergebnissen zeigt, dass erst durch eine iterative Anpassung der Einspritzrichtung jedes Spraykegels die Kraftstoffausbreitung in der Simulation realitätsnah wiedergegeben wird. Das Entwicklungsverfahren verdeutlicht, dass trotz des höheren Detaillierungsgrades des Simulationsansatzes eine Untersuchung des Einspritzvorgangs ausschließlich auf Basis von Strömungssimulationen nicht verlässlich und ein Abgleich mit Messdaten entsprechend wichtig ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungsverfahren werden wichtige grundlegende Erkenntnisse über die innermotorischen Vorgänge im verbrennungsmotorischen Teil des Freikolbenlineargenerators erlangt. Im Hinblick auf eine weiterführende Entwicklung des Motorenkonzeptes bildet die Arbeit eine Basis für den zielgerichteten Einsatz numerischer und laserdiagnostischer Methoden.
Open Access
Development of a reduced chemical-kinetic combustion model for practical fuels
(2014) Zizin, Anton; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
This work deals with modeling of the surrogate fuels including their physical as well as chemical properties. The huge number of components of real fuels makes it impossible to model its properties with equations for all of the constituents. Even less feasible is to create a kinetic mechanism for such a fuel. As an alternative a mixture of a few hydrocarbons is used to replace the real fuel. Such mixture is called a surrogate fuel. The goal of the present work is to construct a complete method for the creation of a reduced combustion model for a Jet-A surrogate fuel, starting from the development of the fuel model itself to the algorithms for a kinetic mechanism reduction. Prior to the development of the numerical code a short overview of available equations of state is given and a comparison of their advantages, disadvantages and precision is made. The developed numerical tools allow fast calculation of the fuels phase diagram, distillation curve and critical point. The physical model and developed tools are successfully validated over a number of experiments for different mixtures of hydrocarbons. The elaborated surrogate model is obtained by optimization of the above mentioned characteristics as well as combustion enthalpy, formation enthalpy, molar weight and sooting tendency index. The Jet-A surrogate model consists of 11% propylcyclohexane, 14% iso-octane, 22% n-dodecane, 28% 1-methylnaphtalene and 25% n-hexadecane. Kinetic models are developed for the large hydrocarbons: n-decane, n-dodecane and n-hexadecane. These models are thoroughly tested over a wide range of shock-tube experiments for each of these pure components as well as mixtures of n-decane and 1-methylnaphthalene.The developed sub-mechanisms are added to the sub-mechanisms of other surrogate fuel components developed at the Institute of Combustion Technology at the German Aerospace Center (DLR) producing the full mechanism with 183 species and 1239 reactions. Numerical simulations made with the full mechanism for the surrogate blend are compared with shock-tube experiments for Jet-A kerosene. Of special interest is the low-temperature region and negative temperature coefficient. A rate of production analysis for each surrogate fuel component and sensitivity analysis will be given. Due to the lack of the thermodynamical data for the low-temperature species another computational tool is developed. It calculates thermodynamical properties using the Benson group additivity method. For extrapolation of the heat capacity to higher temperatures Willhoit polynomials are used due to good precision and stability. The verification is made by comparison of the results for a range of hydrocarbon molecules with database values and calculations in other works. For the reduction algorithm several common reduction methods are described and compared. Using some of these methods analysis and reduction of the full kinetic mechanism is made. Finally, for the reduction of the full mechanism two additional programs are developed. Using the KINALC package they accomplish two analyses in several time points for chosen numerical experiments: importance of reactions and species. Comparing the obtained lists they automatically choose unimportant species and reactions and remove them from the mechanism. Excellent results are obtained even at high degrees of reduction. Nevertheless, there exists a minimal number of species, after which further reduction causes very fast growing errors. At the same time the algorithm tends to remove some very basic species at high degrees of reduction. This limits the minimal size of the mechanism to 70-80 species. The influence of different reduction parameters on the performance of the resulting reduced mechanism is investigated and will be given.
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Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen
(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.
Open Access
Entwicklung und Test eines Modell-Reaktors für die Untersuchung der thermochemischen Umwandlung von Biomassesuspensionen
(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Özuylasi, Göksel; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
In dieser Arbeit wurde ein Forschungs- und Modell-Reaktor entwickelt, der die thermochemischen Prozesse in Flugstromvergasern bei der Umwandlung von Biomasse zu Synthesegas modelliert. Die vielfältig möglichen experimentellen Untersuchungen mit Hilfe des HTFPR helfen einerseits, diese physikalisch-chemischen Vorgänge besser zu verstehen und andererseits, bisher nicht verfügbare Validierungsdaten für numerische Modelle und Simulationsverfahren bereitzustellen.
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Kinetic modelling of cyclohexane oxidation with the PAH precursor formation
(2019) Abbasi, Mehdi; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
Ein semi-detaillierter Reaktionsmechanismus für Cyclohexan (cyC6H12) wurde entwickelt, um die Oxidation von cyC6H12 bei hohen- und niedrigen Temperaturen, einschließlich der Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) zu untersuchen. Dies ist eine beachtliche Aktualisierung früher entwickelter Modelle, mit dem Ziel ein optimales Surrogat-Modell für Kerosin zu entwickeln, die ein Teil eines großen Forschungsbereichs im Institut für Verbrennungstechnik (VT) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) sind. Das neue Cyclohexanmodell basiert auf den neusten Forschungen im Bereich der C0-C3 Kinetik und schließt ein PAK-Teilmodell ein, das Moleküle mit bis zu fünf aromatischen Ringen beinhaltet. Verbesserungen wurden durch eine Überarbeitung der Hauptreaktionsklassen, Bewertung der Unsicherheitsgrenzen der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten und durch eine Erweiterung der Niedertemperaturoxidationskinetik durch neue Reaktionspfade, insbesondere der Cyclohexenylperoxybildung und der Isomerisierung der zyklischen Hydro-peroxy-Peroxykohlenwasserstoffradikale, erreicht. Für die Hauptreaktionsklassen wurden die Unsicherheitsgrenzen der Geschwindigkeitskoeffizienten bewertet. Die Berechnungen der thermodynamischen Eigenschaften, wie Standardbildungsenthalpie, Entropie und Wärmekapazität für die Hauptspezies der Verbrennung von Cyclohexan wurden mit der Benson Gruppenadditivitätsmethode durchgeführt. Die Eigenschaften von 17 neuen Benson-Gruppen und 8 Ringkorrekturfaktoren für zyklische Substanzen wurden durch verschiedene empirische und halbempirische Methoden abgeschätzt. Die Berechnungs-methoden und die Eigenschaften der neu abgeschätzten Gruppen wurden durch Vergleich mit Literaturdaten für gut untersuchte Substanzen und für Cyclohexanzerfallsprodukte, die auch in anderen Cyclohexanreaktionsmechanismen vorkommen, validiert. Die erhaltenen Eigen-schaften wurden im NASA-Polynom Format angegeben. Die wichtigsten Parameter der Transporteigenschaften der Zwischenprodukte wurden untersucht und durch Anwendung von Additivitätsregeln und Strukturähnlichkeitsansätzen berechnet. Der Cyclohexanmechanismus wurde an Zündverzugszeitdaten einer Rapid Compression Machine (RCM) und von Stoßrohrexperimenten (ST), an laminaren Flammengeschwindig-keitsdaten, sowie Konzentrationsprofilen von brennerstabilisierten Flammen erfolgreich optimiert und validiert. Das entwickelte Modell reproduziert realistisches Verbrennungs-verhalten in allen getesteten Bedingungen und kann für Cyclohexanoxidationsstudien benutzt werden. Die Existenz des Bereichs mit negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) in der Cyclohexan (cyC6H12) Oxidation wurde ebenfalls untersucht. Ein deutliches NTC-Verhalten, das in RCM Experimenten beobachtet wurde, konnte durch Simulationen mit dem jetzigen Modell nicht erhalten werden. Jedoch wurde eine generelle Übereinstimmung mit den Daten der RCM Experimente erreicht. Das ist auch in Übereinstimmung mit anderen ST-Messungen, bei denen auch keine NTC-Zone bei niedrigen Temperaturen beobachtet wurde. Die durchgeführten Simulationen mit anderen bereits veröffentlichten Modellen verdeutlichen, dass sie nicht in der Lage waren die ST-Daten genau zu reproduzieren, obwohl sie die NTC-Zone von RCM Daten gut beschreiben können. Es wurde auch gezeigt, dass über das gesamte Temperaturintervall die cyC6H12 Oxidationschemie durch die Konkurrenz zwischen drei Hauptreaktionspfaden kontrolliert wird. Anstatt eines NTC-Verhalten, hat die Temperaturabhängigkeit der Zündung von Cyclohexan einen Bereich mit allmählichen Änderungen (RGC), d.h. einen schrittweisen Übergang zwischen zwei verschiedenen konkurrierenden Reaktionsschemata der Gesamtreaktivität, der in einem Temperaturbereich von 800 K < T < 1100 K stattfindet. Das entwickelte Modell beschreibt ebenfalls erfolgreich die laminaren Flammengeschwindigkeitsdaten, sowie Speziesprofile aus stabilisierten vorgemischten Flammen. Es sollte auch angemerkt werden, dass bei T < 1600 K, die sequenzielle Dehydrierung (Cascade Dehydrogenation) von Cyclohexan der Hauptreaktionspfad für die Bildung der Aromaten ist. Bei höheren Temperaturen wird dieser Verlauf hauptsächlich durch Rekombination von Propargylradikalen kontrolliert.
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Modeling and simulation of electronic excitation in oxygen-helium discharges and plasma-assisted combustion
(2018) Kuntner, Nikolaj; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
The present work concerns the generation of electronically excited oxidizers in non-thermal discharges in the context of plasma-assisted hydrogen and methane combustion at atmospheric pressures. These conditions are of practical relevance for the combustion technology. However, as the conversion of electrical power into particular, chosen chemical degrees of freedom is facilitated by low molecular interaction, the atmospheric parameter range is often neglected in the literature. This work provides the design and validation of accurate and efficient computational models for several experiments in this parameter range.
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Novel modeling approaches for the entrained-flow gasification of bio-slurries
(2020) Fradet, Quentin; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
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Reaction mechanism development and numerical modeling of biomass gasification process
(2021) Fernando, Niranjan; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)