In einer Studie veröffentlicht am 18. Januar 2024 in der Zeitschrift Physik der FlüssigkeitenForscher der Universität Tohoku verknüpften theoretisch Zündung und Verpuffung in einem Verbrennungssystem und erschlossen so neue Konfigurationen für stabile, effiziente Verbrennungsmotoren, da es möglicherweise eine beliebige Anzahl stationärer Lösungen gibt.
„Diese Forschung befasst sich direkt mit der Herausforderung, die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren, indem die Effizienz von Verbrennungsmotoren verbessert wird, die eine wesentliche Quelle dieser Emissionen darstellen“, sagte Youhi Morii vom Institute of Fluid Science der Universität Tohoku.
„Ein besseres Verständnis der Verbrennungsdynamik wird auch die Entwicklung sichererer und nachhaltigerer technischer Lösungen unterstützen“, sagte Kaoru Maruta, ebenfalls vom Institute of Fluid Science.
Die Verbrennungsdynamik umfasst komplexe gekoppelte Flüssigkeits- und chemische Reaktionen. Forscher nutzen die numerische Strömungsmechanik, um den Prozess besser zu verstehen und zu steuern.
Wenn ein System verwendet werden kann, das im stationären Zustand stabil arbeitet und einen bestimmten Toleranzbereich für kleine Störungen aufweist, würde dies die Struktur und Steuerung von Brennkammern vereinfachen und die Machbarkeit der Kommerzialisierung neuer Brennkammerkonstruktionen erhöhen.
Um dieses Konzept zu untersuchen, betrachteten die Forscher der Tohoku-Universität ein einfaches, eindimensionales reaktives Strömungssystem, bei dem unverbranntes vorgemischtes Gas an der linken Einlassgrenze in eine Brennkammer eintritt, während verbranntes Gas oder eine Deflagrationswelle an der rechten Auslassgrenze austritt.
Die bisherige Arbeitstheorie ging davon aus, dass eine stationäre Lösung nur existiert, wenn die Einlassgeschwindigkeit entweder der Geschwindigkeit der Deflagrationswelle (die sich mit Unterschallgeschwindigkeit ausbreitet) oder der Geschwindigkeit der Detonationswelle entspricht – eine Schockreaktion, bei der die austretenden Flammen entstehen mit Überschallgeschwindigkeit reisen.
Diese gängige Meinung basiert jedoch auf der Annahme, dass chemische Reaktionen in der Vorwärmzone vernachlässigbar sind. Neuere Studien betonen die Bedeutung sogenannter „selbstzündungsunterstützter Flammen“, bei denen sich eine Deflagration, die sich in einem heißen, unverbrannten vorgemischten Gasgemisch ausbreitet, mithilfe chemischer Reaktionen vor der Flamme schneller ausbreitet. Dies deutet darauf hin, dass es eine Reihe stationärer Lösungen gibt, die sich auf die Verweilzeit des Gases vor der Deflagration auswirken.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelten die Forscher der Tohoku-Universität eine Theorie, die die Lücke zwischen Zünd- und Deflagrationswellen erfolgreich überbrückt und die Existenz zusätzlicher stationärer Lösungen aufzeigt, die möglich sind, wenn sie die „selbstzündende Reaktionswelle“ berücksichtigen – eine Welle, die beeinflusst wird durch Entzündung in der Vorwärmzone, verhält sich aber wie eine Deflagrationswelle.
„Im Gegensatz zur vorherrschenden Ansicht, dass es nur eine einzige stationäre Lösung für Deflagrationswellen in eindimensionalen Unterschallsystemen gibt, postuliert unser Ansatz eine unendliche Anzahl solcher Lösungen wie selbstzündende Reaktionswellen und behauptet, dass Zündung und Flamme untrennbar miteinander verbunden sind“, sagt Morii sagte.
Dies bedeutet, dass stationäre Lösungen nicht nur an den beiden Punkten existieren, an denen die Einlassgeschwindigkeit mit den Geschwindigkeiten der Deflagrations- oder Detonationswellen übereinstimmt, sondern auch in einem breiteren Bereich, wenn selbstzündende Bedingungen berücksichtigt werden.
Das Team erweiterte die Theorie weiter auf Szenarien mit Überschall-Einlassgeschwindigkeiten. Im Überschallbereich geht man üblicherweise davon aus, dass eine stationäre Lösung nur dann möglich ist, wenn die Einlassgeschwindigkeit mit der Geschwindigkeit der Detonationswelle übereinstimmt. Da die selbstzündende Reaktionswelle jedoch von einer nulldimensionalen Zündung herrührt, argumentierten die Forscher, dass sie unabhängig von der Einlassgeschwindigkeit sein sollte.
„Wir schlagen vor, dass es eine unendliche Anzahl stationärer Lösungen für die selbstzündende Reaktionswelle gibt, selbst unter Überschallbedingungen“, sagte Morii.
Durch die theoretische Verknüpfung von Zündung und Flamme kann der Motor nun aus einer neuen Perspektive betrachtet werden. Die Berücksichtigung von Zündphänomenen bietet die Möglichkeit einer stabileren Verbrennung, was zur Idee eines neuen Motorkonzepts führt, das effizienter ist als das herkömmliche.
„Diese Arbeit zur Stabilisierung selbstzündender Reaktionswellen stellt einen grundlegenden Durchbruch dar und könnte das Design von Verbrennungssystemen revolutionieren, insbesondere im Bereich der Überschallverbrennung“, sagte Morii.
Obwohl theoretische und numerische Ergebnisse ein neues Motorkonzept lieferten, wurde es noch nicht experimentell verifiziert. Das Team plant daher, die Forschungsergebnisse durch weitere experimentelle Verifizierung durch gemeinsame Forschung auf einen tatsächlichen Motor anzuwenden.
Mehr Informationen:
Youhi Morii et al., Allgemeines Konzept für selbstzündende Reaktionswellen, die vom Unterschall- zum Überschallbereich reichen, Physik der Flüssigkeiten (2024). DOI: 10.1063/5.0176262