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Laseroptische Untersuchungen von Verbrennungsprozessen bio-hybrider Kraftstoffe = Laser-optical investigations of combustion processes of bio-hybrid fuels
2024
Dissertation, RWTH Aachen University, 2023
Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-24
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00842
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/977619/files/977619.pdf
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Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Emissionsreduzierung (frei) ; Raman (frei) ; alternative Kraftstoffe (frei) ; e-fuels (frei) ; emission reduction (frei) ; optical combustion diagnostics (frei) ; optische Diagnostik (frei) ; quantitative Temperaturmessung (frei) ; quantitative temperature measurements inside combustion (frei) ; reactivity-controlled compression ignition (RCCI) (frei) ; reaktivitätskontrollierte Kompressionszündung (frei) ; two-photon laser-induced fluorescence (LIF) (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Eine verlässliche Energieversorgung und die Unabhängigkeit von Energie bestimmter Länder wurden im Jahr 2022 sowohl für Gesellschaft als auch für die Wirtschaft besonders relevant. Konventionelle Energieträger wie Öl und Gas müssen daher nicht nur aus ökologischer, sondern auch aus politischer Sicht durch regenerative Energieformen ersetzt werden. Regenerative Energieformen stellen bis zu 40% der elektrischen Energieversorgung Deutschlands bereit und bestanden im Jahr 2021 zu 70% aus Wind- und Solarenergie. Wind- und Solarenergie sind jedoch aufgrund des Sonnenstandes, des Wetters und der Jahreszeit volatil und damit weniger berechenbar und grundlastfähig als bisherige, konventionelle Energieformen. Die Volatilität dieser Energielieferungen kann durch die Speicherung der Energie in flüssigen Kraftstoffen überwunden werden, da diese eine hohe Energiedichte aufweisen, leicht gelagert und transportiert werden können. Die gespeicherte Energie kann dann durch Verbrennung zurückverwandelt werden. Um die bei der Verbrennung entstehenden Emissionen zu verringern, müssen verbesserte Verbrennungsprozesse entwickelt werden. Zudem sind sowohl konventionelle als auch neuartige Verbrennungsprozesse nicht vollständig verstanden. Die optische Verbrennungsdiagnostik kann dabei helfen, Daten wie Molekülkonzentrationen und Temperaturen, räumlich und zeitlich aufgelöst, im Inneren einer Verbrennung bereitzustellen, um hocheffiziente und emissionsarme Verbrennungstechnologien zu entwickeln. In dieser Arbeit wird eine neuartige Verbrennungstechnik einer reaktivitätsgesteuerten Kompressionszündung (RCCI) mit kreuzenden Brennstoffstrahlen unterschiedlicher Reaktivität analysiert. Dazu werden Vermischung, Zündung und Verbrennung der beiden Brennstoffe unter Verwendung von Natrium als Tracer untersucht, um die Parameter für die Einspritzungen der Brennstoffe mit unterschiedlicher Reaktivität zu bestimmen. Diese Tracer-Technik wird zum ersten Mal auf eine RCCI-Verbrennung angewandt und kann die Verbrennungszonen beider Kraftstoffe auflösen, um zu bestimmen, inwieweit die Verbrennungsbedingungen homogen sind. Basierend auf den ermittelten Einspritzparametern wird die RCCI-Verbrennung dann mit zwei-Photonen-laserinduzierter Fluoreszenz (TPLIF) analysiert, um Emissionsdaten in einem frühen Verbrennungszustand, der Hauptverbrennung und in der Abgasphase nach Beendigung der Verbrennung zu erhalten. Dazu werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe, sowie Kohlenmonoxid während der Vor- und Hauptverbrennung und in der Phase nach Beendigung der Reaktionen, ähnlich einer Abgasphase, untersucht. Die Bestimmung von Molekülkonzentrationen erfordert präzise Temperaturmessungen. Um Stickoxide bei der zweistufigen Verbrennung von n-Pentan abzuschätzen und erstmals ortsaufgelöste, quantitative Realtemperaturdaten zu bestimmen, werden in dieser Arbeit sowohl der Effekt der Raman-Streuung an Stickstoff als auch der Effekt der laserinduzierten Fluoreszenz an Stickstoffmonoxid genutzt. Die gemessenen Temperaturdaten liefern dabei erste Einblicke in die räumlich aufgelöste Temperaturverteilung während der ersten Stufe der Zündung, was für Simulationsmodelle von großer Bedeutung ist.A reliable energy supply and the independence of energy and fuels of certain countries became even more relevant for society and the economy in the year 2022, especially in the European Union. Conventional energy sources such as oil and gas must therefore be replaced by regenerative forms of energy, not only from an ecological but also from a political point of view. Regenerative forms of energy provide up to 40% of the electrical energy supply of Germany and consist of 70% of wind- and solar power in 2021. However, wind and solar energy are volatile due to the altitude of the sun, the weather, and the season and thus less predictable and base-load capable than previous, conventional forms of energy. Smoothing the volatility of these energy supplies can be overcome by storing the energy in liquid fuels using their high energy density compared with easy storing and transportation capabilities. The stored energy can then be transformed back using combustion. To reduce emissions resulting from combustion, improved combustion process need to be invented. Additionally, combustion processes are not fully understood. Optical combustion diagnostics can help to provide data such as molecule concentrations and temperatures spatially- and temporally resolved inside a combustion to develop highly efficient and low-emission combustion technologies. In this work, a novel combustion technique of a reactivity-controlled compression ignition (RCCI) with crossing fuel jets of different reactivity is analyzed using diethoxymethane and ethyl acetate. Therefore, mixing, ignition, and combustion of both fuels are investigated by using sodium as a tracer to determine the injection parameters of the delay time between low- and high-reactivity fuel injection as well as the injection duration of the low-reactivity fuel. This tracer technique is applied for the first time to an RCCI combustion and can resolve the combustion zones of both fuels to determine homogeneous combustion conditions. Based on the determined injection parameters, the RCCI-combustion is then analyzed with two-photon laser-induced fluorescence (TPLIF) to provide emission data in an early combustion state, the main combustion and in the exhaust phase after the combustion ended. Therefore, the molecules of C2, as an indicator of unburned hydrocarbons, as well as carbon monoxide are investigated during early and main combustion and after reactions have finished, similar to an exhaust gas phase. Here the feasibility of the application of TPLIF to the RCCI combustion with crossing jets is demonstrated and the reduction potential of diethoxymethane and ethyl acetate compared to diesel and ethanol is investigated. Determining molecule concentrations requires precise temperature measurements. To estimate nitric oxides in the combustion of the two-stage combustion of n-pentane, accurate temperature measurements are performed in this work using the Raman scattering technique. The measured temperature data provides first insights into the temperature spatially resolved during the first stage of the ignition which is highly relevant for simulation models. Additionally, high-speed chemiluminescence across the reactors cross section underlines the higher temperatures with higher measured reactivity.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030672152
Interne Identnummern
RWTH-2024-00842
Datensatz-ID: 977619
Beteiligte Länder
Germany
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