Experimentelle und theoretische Untersuchung der Reaktionskinetik im Nieder- und Hochtemperaturbereich von verschiedenen Di-Ethern: OMEₓ und DEM

Jacobs, Sascha; Kasper, Tina; Heufer, Karl Alexander

doi:10.18154/RWTH-2025-04649

Experimentelle und theoretische Untersuchung der Reaktionskinetik im Nieder- und Hochtemperaturbereich von verschiedenen Di-Ethern: OMEₓ und DEM = Experimental and theoretical investigation of reaction kinetics in the low- and high-temperature range of different Di-ethers: OME$_{\text{x}}$ and DEM

Jacobs, Sascha^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sascha Peter Jacobs

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor)^RWTH* ; Kasper, Tina (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04649
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1011677/files/1011677.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Hochdruck-Gasdynamik (415510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Diethoxymethan (frei) ; Einhubtriebwerk (frei) ; Oxymethylenether (frei) ; Stoßrohr (frei) ; detailed kinetic mechanism (frei) ; detaillierter kinetischer Mechanismus (frei) ; diethoxymethane (frei) ; oxymethylene ethers (frei) ; rapid compression machine (frei) ; shock tube (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen umfassenden Einblick in die chemisch-kinetisch kontrollierten Verbrennungsprozesse im Hoch- und Niedertemperaturbereich von alternativen, potentiellen CO2-neutralen Kraftstoffen zu erhalten. Für den Transportsektor wurden in diesem Zusammenhang Oxymethylenether (OMEx: CH3O-[CH2O]x-CH3) und Diethoxymethan (DEM: C2H5O-CH2O-C2H5) aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften als aussichtsreiche Kraftstoffsubstitute oder -additive für fossilen Dieselkraftstoff identifiziert. Ein Schwerpunkt der Untersuchung liegt dabei in der Betrachtung des Oxidationsverhaltens von Dimethoxymethan (OME1), sowie dem Einfluss der Molekülstruktur auf die Verbrennungskinetik durch Verlängerung der CH2O-Gruppe innerhalb der OME1-Molekülstruktur oder das Ersetzen der Methylgruppe durch eine Ethylgruppe an den Endstellen. Um ein fundamentales Verständnis der Verbrennungschemie zu erlangen, sowie für die rechnerische Modellierung des Verbrennungsprozesses wurde ein konsistenter und detaillierter Reaktionsmechanismus entwickelt. Um die chemischen Vorgänge, die während des Zündverzugs ablaufen, separat von den physikalischen Vorgängen zu betrachten, wurden Grundlagenuntersuchungen zur Zündcharakteristik im Stoßrohr und Einhubtriebwerk in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Kraftstoff/Luft-Verhältnis unter motorrelevanten Bedingungen durchgeführt. Eine systematische Untersuchung des Zündverhaltens zeigte, dass durch Verlängerung der Kettenlänge sich zu einem die Zündcharakteristik ändert und die Reaktivität erhöht wird. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass diese vielversprechenden und hochreaktiven Kraftstoffkandidaten keinen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Mit Hilfe von numerischen Untersuchungen zur Verbrennungschemie konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Kraftstoffe trotz dieser Unterschiede dennoch deutliche Gemeinsamkeiten in ihrer komplexen Reaktionskinetik aufweisen. Der in dieser Arbeit vorgestellte ganzheitliche Ansatz aus Modellierung und Experimenten ist für eine vollständige Kraftstoffbetrachtung und -bewertung unverzichtbar, um letztlich einen sicheren und zuverlässigen sowie schadstoffarmen Motorbetrieb zu gewährleisten.

The present work aims is to gain a comprehensive insight into the chemical kinetics of combustion processes in the high- and low-temperature range of alternative, CO2-neutral fuels. In this context, oxymethylene ethers (OMEx: CH3O-[CH2O]x-CH3) and diethoxymethane (DEM: C2H5O-CH2O-C2H5) have been identified as promising substitutes or additives for fossil diesel fuel in the transportation sector due to their chemical and physical properties. A main focus of the investigation is the oxidation behavior of dimethoxymethane (OME1), as well as the influence of the molecular structure on the combustion kinetics by extension of the CH2O group within the molecular structure of OME1 or replacing the methyl group by an ethyl group at the terminals. Consistent and detailed chemical kinetic reaction mechanisms were developed in order to gain a fundamental understanding of the combustion chemistry and for computational modeling of the combustion process. In order to consider the chemical processes that occur during ignition delay separately from the physical processes, fundamental investigations of the ignition characteristics were carried out in a shock tube and a rapid compression machine depending on pressure, temperature, and equivalence ratio under engine-relevant conditions. A systematic investigation of the ignition behavior showed that increasing the chain length, changes the ignition characteristics and increases the reactivity. Furthermore, it was observed that these promising and highly reactive fuel candidates did not exhibit a negative temperature coefficient. Based on numerical investigations of the combustion chemistry, it was shown that despite these differences, these fuels have significant similarities in their complex reaction kinetics. The holistic approach of modeling and experiments, presented in this work, is essential for a complete fuel consideration and evaluation to ultimately ensure safe and reliable as well as low-emission engine operation.

OpenAccess:
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