Entwicklung und Anwendung von Hochgeschwindigkeits-Lasermesstechnik zur Untersuchung von Selbstzündung

Abstract

Selbstzündung ist ein komplexer Prozess, der in vielen technischen Systemen von großer Bedeutung ist. In Dieselmotoren und Motoren mit homogener Kompressionszündung wird die Verbrennung nicht durch eine externe Zündquelle wie eine Zündkerze, sondern durch Selbstzündung initiiert. In der Gasturbinenverbrennung kann Selbstzündung in Brennkammersystemen mit Rezirkulation zur Flammenstabilisierung beitragen, muss aber in Mischstrecken, z. B. bei der sequentiellen Verbrennung oder bei der mageren Vormischverbrennung, verhindert werden, um erhöhte Schadstoffemissionen sowie eine Beschädigung der Anlage zu vermeiden. Da Selbstzündung auf Zeitskalen im Millisekundenbereich abläuft, ist für experimentelle Untersuchungen eine hohe zeitliche Auflösung erforderlich. Aufgrund der experimentellen Komplexität der Untersuchung von Selbstzündung sind Teilprozesse wie die Entstehung von Zündkernen bislang nicht ausreichend untersucht. Für die Validierung von numerischen Simulationen sind zudem quantitative Messdaten mit gut definierten Randbedingungen notwendig. Ziel dieser Arbeit war es daher, quantitative laseroptische Messtechniken mit hoher zeitlicher Auflösung sowie passende Datenauswertungsalgorithmen zur Untersuchung von Selbstzündung zu entwickeln. Da Selbstzündung extrem sensitiv auf Randbedingungen wie Temperatur oder lokale Gemischzusammensetzung reagiert, wurde ein Versuchsträger mit gut definierten und reproduzierbaren Randbedingungen, der DLR Jet-in-Hot-Coflow Brenner, entwickelt. Hier wird kalter Brennstoff (Methan oder Propan) mit einer Temperatur von 300K in das heiße, sauerstoffhaltige Abgas einer mageren Wasserstoff-Luft-Flamme, die auf einer wassergekühlten Sintermetallmatrix stabilisiert wird, eingedüst. Die Coflowtemperatur wurde über einen großen Bereich zwischen etwa 1280K und 1800K variiert. Der Brennstoff konnte sowohl kontinuierlich zur Untersuchung stationärer Flammen als auch transient zur Untersuchung der Bildung von Zündkernen eingedüst werden. Während eines Forschungsaufenthaltes an der Ohio State University wurden Temperatur, Mischungsbruch und der quadrierte Gradient des Mischungsbruchs als Maß für die skalare Dissipationsrate mit planarer Rayleigh-Streuung bei einer Pulswiederholrate von 10 kHz bestimmt. Am DLR Stuttgart wurden detaillierte Messungen von planarer laserinduzierter Fluoreszenz (PLIF) an OH bei 10 kHz Pulswiederholrate und OH-Chemolumineszenz (CL) bei 20 kHz Bildrate für eine Vielzahl von Coflowtemperaturen, sowie Coflow- und Jetgeschwindigkeiten durchgeführt. Für OH PLIF wurde ein Ansatz zur Quantifizierung des Messsignals entwickelt. Zur Analyse der Flammenstabilisierung und zur Erstellung eines Validierungsdatensatzes für numerische Simulationen wurden Messungen mit kontinuierlicher Brennstoffzufuhr durchgeführt. Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen von Temperatur und OH-Konzentration zeigten, dass die Flammenstabilisierung teilweise durch Selbstzündung erfolgt. OH CL-Messungen zeigten die Bildung und das Wachstum von Zündkernen unterhalb der Flammenwurzel, bis diese schließlich mit der Flammenwurzel verschmolzen. Die Abhebehöhe der Jetflamme reagierte äußerst sensitiv auf die Coflowtemperatur, je nach Temperaturbereich konnte eine Änderung der Temperatur von 5% (entspricht 80 K) zu einer Verdoppelung der Abhebehöhe führen. Die Abhebehöhe skalierte nahezu linear mit der Jetgeschwindigkeit, ein Einfluss der Coflowgeschwindigkeit auf die Abhebehöhe wurde nicht festgestellt. Um Entstehung und Wachstum von Zündkernen zu untersuchen, wurden Versuche mit transienter Brennstoffzufuhr durchgeführt. Der zeitliche Verlauf der Mischungsbruchfelder während der Brennstoffeindüsung wurde charakterisiert und erwies sich als sehr reproduzierbar. Der Brennstoffjet ging in einen stationären Zustand über, bevor erste Zündkerne auftraten. Um die räumliche Lage von Zündkernen rekonstruieren und somit bei der Anwendung planarer Messtechniken Zündkerne identifizieren und detailliert untersuchen zu können, die innerhalb der Messebene entstehen, wurde OH CL aus zwei Blickrichtungen aufgenommen. Zündkerne bildeten sich stromauf von Ausbuchtungen des Brennstoffjets, also in Gebieten, in denen eine niedrige skalare Dissipationsrate und eine erhöhte Aufenthaltszeit durch Wirbel erwartet werden. Die Coflowtemperatur sowie die Coflow- und Jetgeschwindigkeit beeinflussten Zündzeitpunkt und -höhe deutlich, wobei die Coflowtemperatur den stärksten Einfluss hatte. Zur Unterstützung der Interpretation der Messergebnisse wurden im Rahmen einer Kooperation am Karlsruher Institut für Technologie 1D-Simulationen von zündenden Grenzschichten in einer Gegenstromanordnung bei den hier untersuchten Randbedingungen durchgeführt und der Einfluss von Streckung auf die Selbstzündung bewertet. Zündung trat dabei in sehr mageren Bereichen beim reaktivsten Mischungsbruch auf, anschließend wanderte die Reaktionszone hin zu stöchiometrischen Mischungen, bei denen die Flammengeschwindigkeit maximal ist. Mit planaren Rayleigh-Messungen wurden die Bedingungen am Ort der Zündung analysiert und statistisch ausgewertet. Zündkerne bildeten sich bei sehr mageren Mischungsbrüchen und in Gebieten mit niedriger skalarer Dissipationsrate. Das Zündkernwachstum bei verschiedenen axialen Positionen, d. h. Positionen mit unterschiedlicher mittlerer skalarer Dissipationsrate, zeigte, dass die skalare Dissipationsrate nicht nur den Zündzeitpunkt und -ort, sondern auch das Zündkernwachstum beeinflusst. Erstmals konnte mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung die Entstehung von Zündkernen untersucht werden und daraus ein Bildungsmechanismus für Zündkerne abgeleitet werden. Weiterhin steht ein einzigartiger Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.