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Wissenschaftler untersuchen die Quelle des stochastischen Auftretens von Superklopfen in Wasserstoff/Methan-Motoren

Die Wissenschaft

Turbogeladene Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum können „Stöße“ erfahren, ohne dauerhaften Schaden zu erleiden. Ein Klopfen tritt auf, wenn sich der Kraftstoff früher als erwartet entzündet. Viel schädlicher ist „Superklopfen“. Im Gegensatz zu normalem Klopfen wird Superklopfen durch eine Detonationswelle aufgrund einer Rückkopplungsschleife zwischen der mit der Flamme verbundenen Wärmefreisetzung und dem Druck in einem Motorzylinder verursacht. Ein alternativer Kraftstoff, Wasserstoff, ist aufgrund der Art und Weise, wie Motoren betrieben werden müssen, um mit Wasserstoff effizient zu laufen, einem größeren Risiko von Superklopfen ausgesetzt als andere Kraftstoffe. Eine Lösung sind Kraftstoffe aus einem Gemisch aus Wasserstoff und Methan. Das Hinzufügen von Methan zu Wasserstoffkraftstoff kann die Verbrennung verbessern und einige Arten von Emissionen reduzieren. Die Verbrennung in Motoren ist äußerst komplex, daher müssen die Forscher Wasserstoff/Methan-Kraftstoffreaktionen untersuchen, um die Motorkonstruktion zu unterstützen.

Die Konsequenzen

Die Nutzung von Mischungen aus Wasserstoff und Methan als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren ist eine der vielversprechendsten Strategien zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen. Ein Problem beim Verbrennen dieser Kraftstoffe in Ottomotoren ist der Übergang von einem „erwünschten“ Verbrennungsmechanismus zur Bildung einer Detonationswelle. Bei der gewünschten Verbrennung breitet sich die Welle der Kraftstoffverbrennung (Verpuffung genannt) von der Funkenzündquelle weg aus. Andererseits kann diese Verbrennung unter falschen Bedingungen zur Bildung einer Detonationswelle führen. Dieser Druckstoß verbraucht schnell den gesamten Kraftstoff und führt zu einer starken Druckspitze, die in Motoren als Superklopfen bezeichnet wird. Um Superbursts zu vermeiden, untersuchten Wissenschaftler die Ursachen für den Wechsel von der Verpuffung zur Detonation. Diese Forschung wird dazu beitragen, den Weg für die Verwendung praktikabler Alternativen zu fossilen Brennstoffen in Verbrennungsmotoren zu ebnen.

Überblick

Die Forscher untersuchten den Einfluss der nicht-thermischen Reaktionschemie auf die Ausbreitung der Verbrennungsfront für ein H2-CH4 Kraftstoffgemisch, das innerhalb eines begrenzten Bereichs in Luft verbrennt und einen idealisierten Motorzylinder darstellt. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass in einigen Verbrennungsumgebungen das H + CH3 und H + OH-Radikal-Radikal-Rekombination und die H + O2 Radikal-Molekül-Assoziationsreaktionen können langlebige angeregte Zwischenprodukte bilden (wie CH4*, H2OH-Oh2*) die Folgereaktionen mit H, O, OH und O eingehen können2 vor Crashstabilisierung (nach CH4H2Oh ho2). Das internationale Team unter der Leitung von Sandia National Laboratories integrierte nicht-thermische „termolekulare“ Reaktionen in das Modell und untersuchte speziell die Auswirkungen solcher Radikal-Radikal-Rekombinationen und Radikal-Molekül-Assoziationsreaktionen. Das Team verwendete den S3D-Code für direkte numerische Simulation (DNS) mit einer räumlichen Auflösung von 1 Mikrometer, der zeigt, dass die Einbeziehung von nicht thermisierter Reaktionschemie die chemischen Reaktionsflüsse während Hochdruck-H2-CH4 Verbrennung und der Übergang von Deflagrationsfronten zu Hochdruck-, sich schnell bewegenden Detonationsfronten.

Andererseits zeigte die Einbeziehung der chemischen Explosionsmodusanalyse (CEMA), eines zuverlässigen rechnergestützten Flammendiagnosewerkzeugs zur systematischen Erkennung wichtiger Spezies und Reaktionen, die während der Verbrennung gebildet werden, dass unabhängig vom Vorhandensein nicht-thermischer Reaktivität Temperatur und Sauerstoffkonzentration bestehen bleiben die beiden wichtigsten Variablen, die die Detonationsbildung in H2/CH4Luftgemische unter motorrelevanten Bedingungen. Die Forscher stellen fest, dass sich diese spezielle Beobachtung mit verschiedenen H2/CH4 Mischungsverhältnisse. Das von den Forschern vorgeschlagene Modell erscheint im Bild oben. Zuerst breitet sich eine durch einen Funken verursachte Flamme mit der Geschwindigkeit ‚S ausf‚ begleitet von einer Druckwelle, die sich mit der Geschwindigkeit ‚a‘ ausbreitet, wobei a viel größer als S istf (a >> sf). Ohne molekulare Reaktionen entzündet sich das unverbrannte Gas in der Nähe der Zylinderwand spontan, bevor es von der funkeninduzierten Flamme verbraucht wird. Anschließend breitet sich die austretende Zündfront mit der Geschwindigkeit „SSp“ nach außen aus, sodass sie von der Druckwelle (SSp >> a) entkoppelt bleibt, was zur Ausbildung des normalen Klopfens führt. Bei Vorhandensein von thermomolekularen Reaktionen findet jedoch eine Verschmelzung zwischen der durch Funken ausgelösten Flammenfront und der Druckwelle statt, wobei „a“ etwa die Größe von „S“ hat.f.‘ Die perfekte Synchronisation zwischen der Druckwelle und der funkengezündeten Flammenfront führt zum Übergang von der Verpuffung zur Detonation, d. h. zum Superklopfen ohne Selbstentzündung im unverbrannten Endgas. Die Forscher schlagen vor, dass ihre nichtthermische Reaktionschemie bei der Modellierung der Verbrennung von H berücksichtigt werden sollte2-CH4 Mischungen, um wichtige Aspekte des Flammenverhaltens genau vorherzusagen.

Finanzierung

Die Arbeit an den Sandia National Laboratories wurde unterstützt durch das Department of Energy (DOE) Office of Science, Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences and Biosciences, sowie die Exascale-Computing Project, eine gemeinsame Anstrengung des DOE Office of Science und der National Nuclear Security Administration. Die Arbeit an den Argonne National Laboratories wurde vom DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences and Biosciences unterstützt. Zwei der Forscher wurden im Rahmen des Argonne-Sandia Consortium on High-Pressure Combustion Chemistry unterstützt. Einer der Forscher erkennt auch die Unterstützung der Natural Science Foundation der Provinz Jiangsu an. Die Arbeit an der University of Connecticut wurde unterstützt durch die Exascale-Computing Projekt.

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