Kopplung von NO-Bildung und
instationärer Flammenausbreitung
Einspritzung, Brennstoffverdampfung und Gemischbildung sowie
Zündung, Verbrennung und Schadstoffbildung in Motoren mit Direkt-einspritzung bilden Themenfelder des hier beantragten
Sonderforschungsbereiches. Die Entwicklung direkt einspritzender Motoren
gewann in den letzten Jahren wegen ihres Potentials zur
Wirkungsgraderhöhung und Schadstoffminimierung zunehmend an Bedeutung.
Hierbei wird konsequent das Potential einer Ladungsschichtung im Hinblick
auf ein verbessertes Zündverhalten in Ottomotoren sowie eine Erhöhung des
Wirkungsgrades genutzt. Gerade bei der Flammenausbreitung in inhomogenen
Gemischen treten lokal fette und magere Bereiche auf, so daß die NO-Bildung
sowohl von dem thermischen als auch von dem prompten Bildungsmechanismus
dominiert werden kann. Der Einfluß einer solchen Ladungsschichtung in
Verbindung mit dem breiten Druckbereich auf den Verbrennungsprozeß und
insbesondere auf die NO-Schadstoffbildung ist jedoch noch nicht ausreichend
verstanden. Dies liegt darin begründet, daß zum einen der Mechanismus der
prompten NO-Bildung und die Geschwindigkeitskonstanten der
zugrunde-liegenden Elementarreaktionen nicht ausreichend genau bekannt
sind. Zum anderen beruhen die Abschätzungen der Reaktionswege auf einfachen
Modellierungsannahmen (homogene Reaktionssysteme, laminare Flamelets), die
die tatsächlichen Prozesse in Systemen mit Ladungsschichtung nur bedingt
beschreiben können.
Es wird allgemein vermutet, daß für die prompte
Stickoxidbildung die Reaktion CH + N2 ®HCN + N eine entscheidende Rolle
spielt. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion und ihre Druckabhängigkeit soll
im Temperaturbereich zwischen 1000 und 2000 K mit Hilfe der Stoßwellentechnik
untersucht werden. CH-Radikale werden durch UV-Multiphotonen-Laserblitzlichtphotolyse
von Bromoform erzeugt und durch schmalbandige Laserabsorption bei 430 nm mittels
Frequenzmodulationstechnik nachgewiesen. Dabei werden die entstehenden N-Atome gleichzeitig mit der
ARAS-Methode detektiert, um den direkten Zusammenhang von CH-Abbau und
N-Bildung erfassen zu können. Daran anschließend soll der Beitrag der
Reaktion CH2 + N2 ®HCN + NH zur prompten NO-Bildung untersucht werden. Auf diese
Weise wird ein gesicherter Datensatz zur Modellierung der prompten
NOx-Bildung erarbeitet. Zur Klärung des Einflusses der prompten NO-Bildung
auf die Gesamt-NO-Bildungsgeschwindigkeit sollen örtlich aufgelöste NO-,
CH-, HCN- oder NH-Profile sowie NO-Produktions- und Verbrauchsraten in den
entsprechenden Modellflammen bestimmt werden. Diese liefern einerseits
wichtige Rückschlüsse auf die vorherrschenden chemischen Reaktionswege und
dienen andererseits der strengen Validierung der in diesem und anderen
Teilprojekten entwickelten Verfahren zur Modellierung der betrachteten
Verbrennungssysteme.
In diesem Teilprojekt werden Modelle für die
Schadstoffbildung bei der instationären Flammenausbreitung entwickelt,
welche wichtige Beiträge für ein Verständnis der Schadstoffbildung in
direkteinspritzenden Motoren liefern. Die Reaktionen des CH-Radikals spielen
nicht nur bei der prompten NO-Bildung eine Schlüsselrolle, sondern besitzen
auch zentrale Bedeutung bei der Rußbildung in Flammen (B1 und C4). Darüber
hinaus ist das untersuchte System ein Beispiel für ein Reaktionssystem mit
komplizierter jedoch noch nicht verstandener Druckabhängigkeit.
