An experimental and modeling study on combustion properties of C3-C4 alcohols and C4-C5 furans for sustainable aviation

Der zunehmende Luftverkehr hat im Laufe der Jahre zu einem Anstieg der CO2-Emissionen geführt. Aus diesem Grund sind die Verbrennungseffizienz und die Verringerung der Schadstoffemissionen zu einem wichtigen Anliegen für Verbrennungsanwendungen geworden. Elektro-Treibstoffe (E-Fuels) sind vielversprechende Konzepte, die die Emissionen reduzieren und die nachhaltige Luftfahrt fördern. Hochwertige Kraftstoffe wie E-Fuels werden durch die Nutzung erneuerbarer Energien wie Wind- und Sonnenenergie und geringwertige Kraftstoffe in Form von Flüssigkeiten oder Gasen mit Hilfe der PtX-Technologie erzeugt.

Darüber hinaus verspricht das Konzept der mageren vorgemischten Verdampfung (LPP), die Rußbildung und NOx-Emissionen in Kombination mit E-Kraftstoffen zu reduzieren. Um die potenziellen E-Kraftstoffe zu identifizieren, muss daher die Schlüsseleigenschaft der Verbrennung wie die Zündverzögerungszeit (IDT) bestimmt werden. Messtechniken wie Stoßrohre (ST) werden häufig eingesetzt, um eine einheitliche Gasphasenumgebung für einen breiten Temperatur- und Druckbereich zu erzeugen, die sich für das Verständnis der Chemie bei Reaktionen bei höheren Temperaturen mit anschließender zeitaufgelöster Detektion eignet.

Die Kombination aus der Stoßrohrtechnik und der abstimmbaren Diodenlaser- Absorptionsspektroskopie (TDLAS) bietet eine Plattform für die genaue Messung des zeitlichen Verlaufs dynamischer Spezies. TDLAS ist eine hochempfindliche, nicht-invasive Diagnosetechnik, die die kurze Messzeit der ST ergänzt. Die Schnellkompressionsmaschine (RCM) arbeitet unter triebwerksnahen Bedingungen. RCM wird normalerweise zur Untersuchung der IDT von Kraftstoffen bei niedrigen bis mittleren Temperaturen eingesetzt.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Messung der Zündeigenschaften der hier betrachteten potenziellen E-Kraftstoffkandidaten, die im Rahmen des Exzellenzclusters "Nachhaltige und energieeffiziente Luftfahrt (SE2A)" an der TU Braunschweig von Interesse sind. Als potenzielle Kraftstoffe für den Einsatz in Strahltriebwerken sind die Zündeigenschaften von Propanol, Butanol-Isomeren und Furanen wie Tetrahydrofuran und 2- Methyl-Tetrahydrofuran noch nicht sehr umfassend untersucht worden, insbesondere bei hohen Zwischentemperaturen (600 - 1550 K), hohen Drücken (1-10 bar, 20 und 40 bar) und unter Berücksichtigung der LPP-Bedingungen. Die Technologie der mageren Verbrennung hat die Vorteile eines verbesserten thermischen Wirkungsgrads und niedriger Emissionen. Daher wurden die Selbstzündungseigenschaften von Propanol, Butanolisomeren und Furanen wie Tetrahydrofuran (THF) und 2-Methyl-Tetrahydrofuran (2-MTHF) in einem ST und einem RCM untersucht. Optische Diagnostik wie die TDLAS-Technik wird bei den Messungen angewandt, um die Speziesgeschichte in Echtzeit zu erhalten. Die Temperatur ist auf 600 bis 1000 K in der RCM und 1100 bis 1550 K in der ST eingestellt, die untersuchten Drücke sind 1-10 bar in der ST und 20 und 40 bar in der RCM mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,25, 0,5 und 0,9.

Unter den Alkoholen zeigten alle gemessenen IDTs bei verschiedenen Versuchsbedingungen kein Verhalten des negativen Temperaturkoeffizienten (NTC). 1-Butanol hatte die höchste Reaktivität aufgrund der niedrigeren Aktivierungsenergie, gefolgt von Iso-Butanol, das eine ähnliche Reaktivität wie 2-Butanol aufweist. 1-Propanol hat eine höhere Reaktivität als 2- Propanol, während tert-Butanol aufgrund seiner höheren Aktivierungsenergie als andere Butanol- und Propanolisomere bei allen Äquivalenzverhältnissen am wenigsten reaktiv war.

Innerhalb der untersuchten Temperaturen sinken die IDTs mit einem Anstieg des Äquivalenzverhältnisses. Die Auswirkung des Äquivalenzverhältnisses innerhalb der untersuchten Bedingungen war mit steigendem Druck geringer.

Die gemessenen CO-Profile wiesen eine gute Temperaturkorrelation auf, wobei für φ nahe der stöchiometrischen Bedingung ein scharfes Plateau im CO-Bildungsprofil sowohl für 1- als auch für 2-Butanol beobachtet wurde, das bei einem Druck von 3 bar vorherrschte. Bei 1- Propanol und 2-Propanol war dieses Plateau jedoch nicht vorhanden. Zur Validierung der gemessenen experimentellen IDTs wurden verschiedene Literaturmodelle verwendet. Das Modell von Sarathy et al.1 lieferte eine gute Vorhersage der IDTs von 1- und 2-Butanol. Das Modell von Van Geem et al. 3 erfasste die IDTs für tert-Butanol gut, und Nadiri et al. 2 sagte die IDTs für Iso-Butanol besser voraus. Durch die Analyse der Produktionsrate wurde deutlich, dass 2-Butanol viel weniger reaktive Radikale, H-Radikale und relativ stabilere Radikalspezies wie C2H5 als 1-Butanol produziert, was zu der längeren IDT von 2-Butanol führt. Die Produktionsrate der CO-Spezies zeigte, dass HCO und HCCO die wichtigsten Zersetzungsspezies waren, die zur Bildung von CO führten.

Im Falle der Propanol-Isomere zeigte die ROP von CO, die mit dem Modell von Johnson et al. 4 durchgeführt wurde, dass die CO-Bildungsreaktion "C2H2+O<=>CH2+CO" und "HCO+OH<=>CO+H2O" einen Einfluss auf die IDT des Kraftstoffs und die Verbrauchsreaktion wie CO + OH <=> CO2 + H einen großen Einfluss auf die Größe des CO- Peaks haben. Die gemessenen IDTs von THF und 2-MTHF zeigten ein NTC-Verhalten im Niedrig-Zwischen-Temperaturbereich bei 20 und 40 bar. THF erwies sich unter den untersuchten Bedingungen als reaktionsfreudiger als 2-MTHF. Außerdem wurde bei THF und 2-MTHF eine dreistufige Zündung beobachtet. Die Studie zur kinetischen Modellierung zeigte, dass das Modell von Fenard et al. 5 bessere Vorhersagen für THF und Wu et al. 7 für 2-MTHF lieferte. Die hemmende Reaktion wie HO2 + OH = H2O + O2 und die Explosionsreaktion CO + OH = CO2 + H waren die Hauptfaktoren, die zu mehreren Zündstufen führten.