Wissenschaftler untersuchen die Quelle des stochastischen Auftretens von Superklopfen in Motoren, die mit Wasserstoff/Methan-Kraftstoffen betrieben werden

In einer Studie veröffentlicht in Verbrennung und Flammeuntersuchten die Forscher den Einfluss der nichtthermischen Reaktionschemie auf die Ausbreitung von Verbrennungsfronten für ein H2-CH4-Kraftstoffgemisch, das in Luft innerhalb eines begrenzten Bereichs verbrennt, der einen idealisierten Motorzylinder darstellt.

Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass in einigen Verbrennungsumgebungen die H + CH3- und H + OH-Radikal-Radikal-Rekombination und die H + O2-Radikal-Molekül-Assoziationsreaktionen langlebige Zwischenprodukte im angeregten Zustand bilden können (wie CH4*, H2O*, HO2*), die Folgereaktionen mit H, O, OH und O2 eingehen können, bevor sie einer Kollisionsstabilisierung (zu CH4, H2O, HO2) unterzogen werden.

Das internationale Team unter der Leitung der Sandia National Laboratories bezog nicht-thermische „termolekulare“ Reaktionen in das Modell ein und untersuchte insbesondere 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 zeigte, dass die Einbeziehung nicht-thermalisierter Reaktionschemie die chemischen Reaktionsflüsse während der Hochdruck-H2-CH4-Verbrennung und den Übergang von Deflagrationsfronten zu Hochdruck beeinflusst , sich schnell bewegende 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 von nicht-thermischer Reaktivität, Temperatur und Sauerstoffkonzentration bleiben die zwei wichtigsten Variablen, die die Klopfbildung in H2/CH4-Luftgemischen unter motorrelevanten Bedingungen beeinflussen.

Die Forscher stellen fest, dass sich diese spezielle Beobachtung mit unterschiedlichen H2/CH4-Mischungsverhältnissen ändern könnte. Das von den Forschern vorgeschlagene Modell erscheint im obigen Bild. Zunächst breitet sich eine durch Funken ausgelöste Flamme mit der Geschwindigkeit Sf nach außen aus, begleitet von einer Druckwelle, die sich mit der Geschwindigkeit a ausbreitet, wobei a viel größer als Sf ist (a >> Sf). Ohne molekulare Reaktionen entzündet sich das unverbrannte Gas in der Nähe der Zylinderwand spontan, bevor es von der durch Funken ausgelösten Flamme verbraucht wird.

Anschließend breitet sich die entstehende Zündfront mit der Geschwindigkeit „SSp“ nach außen aus, so dass sie von der Druckwelle (SSp >> a) entkoppelt bleibt und somit zur normalen Klopfbildung führt. Bei Vorhandensein von thermomolekularen Reaktionen tritt jedoch eine Koaleszenz zwischen der funkengezündeten Flammenfront und der Druckwelle auf, wobei ‚a‘ ungefähr so ​​groß wie Sf ist. Die perfekte Synchronisation zwischen der Druckwelle und der funkengezündeten Flammenfront führt zum Übergang von der Verpuffung zur Detonation, dh zum Superklopfen ohne spontane Entzündung im unverbrannten Endgas. Die Forscher schlagen vor, dass ihre nichtthermische Reaktionschemie bei der Modellierung der Verbrennung von H2-CH4-Gemischen berücksichtigt werden muss, um wichtige Aspekte des Flammenverhaltens genau vorherzusagen.

Turbogeladene Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum können ein „Klopfen“ erfahren, ohne bleibende Schäden zu erleiden. Klopfen tritt auf, wenn sich der Kraftstoff früher als erwartet entzündet. Viel schädlicher ist „Super-Knock“. Anders als normales 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 höheren 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 glätten und einige Arten von Emissionen reduzieren. Die Verbrennung in Motoren ist äußerst komplex, daher müssen Forscher die Reaktionen von Wasserstoff/Methan-Kraftstoff untersuchen, um die Motorkonstruktion zu unterstützen.

Die Verwendung von Mischungen aus Wasserstoff und Methan als Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren ist eine der vielversprechendsten Strategien zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen. Ein Problem beim Verbrennen dieser Kraftstoffe in Motoren mit Funkenzündung ist der Übergang von einem „erwünschten“ Verbrennungsmechanismus zur Bildung einer Detonationswelle. Bei erwünschter Verbrennung breitet sich die Welle der Kraftstoffverbrennung (Verpuffung genannt) von der Funkenzündquelle weg aus.

Unter falschen Bedingungen kann diese Verbrennung stattdessen zur Bildung einer Detonationswelle führen. Diese Welle verbraucht schnell den gesamten Kraftstoff und führt zu einer starken Druckspitze, die in Motoren als Superklopfen bezeichnet wird. Um Superklopfen 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.