Emissions Soot Model

ESTiMatE

Das EU-H2020-Projekts „Emissions Soot Model“ (ESTiMatE) befasst sich mit dem Problem der Emissionen unter Magerverbrennungsbedingungen, insbesondere bei Flugzeugtriebwerken, und konzentriert sich auf die Entwicklung genauer und zuverlässiger Vorhersagemethoden für die Schadstoffbildung mit Schwerpunkt auf Ruß. Weitere Informationen über die grundlegende Idee des Projekts, das Konsortium sowie die projektbezogenen Publikationen sind https://estimate-project.eu zu entnehmen.

Dies erfordert die Verbesserung oder Entwicklung anspruchsvoller Modelle für die betreffenden Teilprozesse und eine Validierung anhand von Referenzexperimenten, um eine zuverlässige Prognose der Rußemissionen zu gewährleisten. Ziel der Arbeiten des Teilinstituts Verbrennungstechnik im Rahmen des Projekts ist es, Datensätze unter repräsentativen Verbrennungsbedingungen zu generieren, die zur Validierung der entwickelten Modelle verwendet werden können.

Diesbezüglich werden laminare Gegenstrommodelflammen eines Kerosin-Surrogates und dessen einzelner Komponenten (z.B. Dodekan und iso-Oktan) grundlegend untersucht, um den Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf die Flammenstruktur und insbesondere auf die Bildung von Ruß-Vorläufern [Benzol (A1), Naphthalin (A2), Pyren (A4), etc.] und Rußpartikeln zu entschlüsseln. Die gewonnenen Daten werden erst mit bereits entwickelten chemischen Reaktionsmodellen verglichen und danach für die Validierung der im ESTiMatE entwickelten Modelle verwendet. In der Abbildung sind experimentelle und numerisch berechnete Konzentrationsverläufe gasförmiger Spezies in einer nicht-vorgemischten Gegenstromflamme von iso-Oktan dargestellt.

Im Rahmen dieses Projekts werden sowohl invasive als auch nicht-invasive (optische) Messtechniken angewandt. Während die Analyse der Gasphasenzusammensetzung via Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie erfolgt, wird der Rußvolumenbruch und der Teilchenradius via zwei Farben zeitaufgelöster laser-induzierter Inkandeszenz (2C-TiRe-LII) bestimmt. Die Verwendung unterschiedlicher Laseranregungswellenlängen bei der 2C-TiRe-LII erlaubt außerdem die Ableitung der optischen Partikeleigenschaften. Eine entwickelte Aerosolsonde ermöglicht die Entnahme und Charakterisierung kleinster Partikeln während ihrer Bildung.

Abbildung 1. Links: Nicht-vorgemischte Gegenstromflamme von iso-Oktan. Rechts: Zugehörige Speziesprofile, die mithilfe invasiver Gasphasendiagnostik ermittelt wurden. Die durchgezogenen Linien zeigen die berechneten Profile eines ausgewählten, exemplarischen Modells.

 

Weiterführende Literatur:

  • From molecular to sub-μm scale: The interplay of precursor concentrations, primary particle size, and carbon nanostructure during soot formation in counter-flow diffusion flames Hagen, F. P.; Vlavakis, P.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D. 2023. Combustion and Flame, Article no: 112729. doi:10.1016/j.combustflame.2023.112729
  • Soot nanoparticle sizing in counterflow flames using in-situ particle sampling and differential mobility analysis verified with two-colour time-resolved laser-induced incandescence Hagen, F. P.; Vlavakis, P.; Seitz, M.; Klövekorn, T.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D. 2022. Proceedings of the Combustion Institute. doi:10.1016/j.proci.2022.07.253