Zugl.: Köln, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Köln, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: München, Techn. Universiẗat, Diss., 2009.

Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2006.

Der weltweit steigende Mobilitätsbedarf führt in der Zukunft zur weiteren Zunahme des Primärenergiebedarfs. Die Rohstoffvorräte unserer Erde sind begrenzt. Rohstoffe, die heute verbraucht werden, stehen zukünftigen Generationen nicht mehr zur Verfügung. Die sparsame und effiziente Nutzung der Ressourcen stellt deshalb den Schlüssel zu einer nachhaltigen Entwicklung dar. Im Mittelpunkt steht dabei der Energieverbrauch. Vor allem die Industrieländer stehen vor der Herausforderung, ihren Verbrauch an begrenzten Energierohstoffen Schritt für Schritt zurückzufahren. Der Wirtschaftsbereich der Europäischen Union kann dabei eine positive Bilanz vorweisen. Eingeschlossen in diese Bilanz ist der Verkehrsbereich. Die modernen Fahrzeugflotten konnten durch die ständige Weiterentwicklung den Streckenkraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen erheblich absenken. Eine Entwicklung, die noch nicht am Ende ist. Trotz dieser positiven Tendenz gerät die globale Bilanz durch eine dramatische Zunahme der Fahrzeugflotten, besonders in den Entwicklungsländern, kontinuierlich in eine Schieflage. Die Energieverbräuche steigen und die Ressourcen der Energieträger Öl, Gas und Kohle nehmen ab. Es ist bekannt, dass weltweit besonders in hochentwickelten Industrieländern dieser Entwicklung durch Alternativ-Konzepte entgegengesteuert wird. Im Verkehrsbereich sind dies unter anderem veränderte Fahrzeugkonzepte (z. B. Hybridfahrzeuge) sowie die mittel- und längerfristige Substitution der konventionellen, mineralölstämmigen Kraftstoffe durch Erdgaskraftstoffe (SynFuel, nach der Shell-Mittel-Destillat-Synthese, SMDS, hergestellt) oder Kraftstoffe (Sun Fuel) aus regenerativen Energieträgern wie Restholz, Energiepflanzen oder Biomüll. Diese Entwicklungen werden durch eine permanente Reduzierung der Abgasemissionen von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen begleitet. Insbesondere sind dies einerseits die limitierten Schadstoffe, welche in den einzelnen Ländern gesetzlich verankert sind, und andererseits die CO2-Emission, die z. B. noch auf einer freiwilligen Selbstverpflichtung der Automobilindustrie (in Deutschland 140 g/km CO2 – Ausstoß) basieren. Kapitel 1: Einführung 2 Alle diese Entwicklungen gilt es im Voraus abzuschätzen bzw. mit fundierten Betrachtungen in den Entwicklungsprozess einzuordnen. Dies gilt besonders für solche Länder, z. B. Ägypten, die den Technikfortschritt aus ökonomischer und ökologischer Betrachtung in sehr kurzer Zeit einzuführen haben. Die Simulationswerkzeuge aller Art werden bekannterweise dazu genutzt, um Fehlentwicklungen zu vermeiden. Je nach Aufgabe und Zielstellung sind diese Werkzeuge fachgerecht anzupassen und zu verifizieren. Im Speziellen werden konventionelle und alternative Antriebskonzepte für Fahrzeuge der verschiedensten Einsatzbedingungen mit einem Simulationswerkzeug bewertet. 1.1 Aufgabenstellung und Zielstellung

Der weltweit steigende Mobilitätsbedarf führt in der Zukunft zur weiteren Zunahme des Primärenergiebedarfs. Die Rohstoffvorräte unserer Erde sind begrenzt. Rohstoffe, die heute verbraucht werden, stehen zukünftigen Generationen nicht mehr zur Verfügung. Die sparsame und effiziente Nutzung der Ressourcen stellt deshalb den Schlüssel zu einer nachhaltigen Entwicklung dar. Im Mittelpunkt steht dabei der Energieverbrauch. Vor allem die Industrieländer stehen vor der Herausforderung, ihren Verbrauch an begrenzten Energierohstoffen Schritt für Schritt zurückzufahren. Der Wirtschaftsbereich der Europäischen Union kann dabei eine positive Bilanz vorweisen. Eingeschlossen in diese Bilanz ist der Verkehrsbereich. Die modernen Fahrzeugflotten konnten durch die ständige Weiterentwicklung den Streckenkraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen erheblich absenken. Eine Entwicklung, die noch nicht am Ende ist. Trotz dieser positiven Tendenz gerät die globale Bilanz durch eine dramatische Zunahme der Fahrzeugflotten, besonders in den Entwicklungsländern, kontinuierlich in eine Schieflage. Die Energieverbräuche steigen und die Ressourcen der Energieträger Öl, Gas und Kohle nehmen ab. Es ist bekannt, dass weltweit besonders in hochentwickelten Industrieländern dieser Entwicklung durch Alternativ-Konzepte entgegengesteuert wird. Im Verkehrsbereich sind dies unter anderem veränderte Fahrzeugkonzepte (z. B. Hybridfahrzeuge) sowie die mittel- und längerfristige Substitution der konventionellen, mineralölstämmigen Kraftstoffe durch Erdgaskraftstoffe (SynFuel, nach der Shell-Mittel-Destillat-Synthese, SMDS, hergestellt) oder Kraftstoffe (Sun Fuel) aus regenerativen Energieträgern wie Restholz, Energiepflanzen oder Biomüll. Diese Entwicklungen werden durch eine permanente Reduzierung der Abgasemissionen von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen begleitet. Insbesondere sind dies einerseits die limitierten Schadstoffe, welche in den einzelnen Ländern gesetzlich verankert sind, und andererseits die CO2-Emission, die z. B. noch auf einer freiwilligen Selbstverpflichtung der Automobilindustrie (in Deutschland 140 g/km CO2 – Ausstoß) basieren. Kapitel 1: Einführung 2 Alle diese Entwicklungen gilt es im Voraus abzuschätzen bzw. mit fundierten Betrachtungen in den Entwicklungsprozess einzuordnen. Dies gilt besonders für solche Länder, z. B. Ägypten, die den Technikfortschritt aus ökonomischer und ökologischer Betrachtung in sehr kurzer Zeit einzuführen haben. Die Simulationswerkzeuge aller Art werden bekannterweise dazu genutzt, um Fehlentwicklungen zu vermeiden. Je nach Aufgabe und Zielstellung sind diese Werkzeuge fachgerecht anzupassen und zu verifizieren. Im Speziellen werden konventionelle und alternative Antriebskonzepte für Fahrzeuge der verschiedensten Einsatzbedingungen mit einem Simulationswerkzeug bewertet. 1.1 Aufgabenstellung und Zielstellung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die laminaren Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit für verschiedene alternative Treibstoffe und Treibstoffkomponenten experimentell bestimmt. Mit Farnesan, Alcohol-to-Jet SPK, Alcohol-to-Jet SKA und ReadiJet wurden vier verschiedene alternative Treibstoffe untersucht, die sich durch ihre Herkunft und in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Die Betrachtung einzelner Treibstoffkomponenten diente der Untersuchung inwieweit die Molekülstruktur einen Einfluss auf die Verbrennungseigenschaften hat. Dazu wurde aus jeder der vier Hauptstrukturgruppen (n-Alkane, iso-Alkane, Cycloalkane und Aromaten) jeweils ein Vertreter ausgewählt: n-Dodecan, Isooctan, n-Propylcyclohexan und n-Propylbenzol. Alle erhaltenen Ergebnisse worden mit Jet A-1, einem realen Treibstoff, verglichen. Aus den einzelnen Komponenten wurde auch ein aromatenfreies Surrogat hergestellt von welchem die Verbrennungseigenschaften ebenfalls experimentell untersucht wurden. Für das Surrogat wie auch seine Komponenten wurden die laminare Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeit zusätzlich in einer Modellierung berechnet.:SYMBOLVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN ZUR VERBRENNUNG VON TREIBSTOFFEN 2.1 Laminare Flammen und Zündprozesse 2.2 Vorgänge bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen 2.3 Schadstoffbildung 3 UNTERSUCHTE TREIBSTOFFE 3.1 Jet A‐1 3.2 Alternative Treibstoffe 3.3 Treibstoffkomponenten 4 EXPERIMENTE 4.1 Einführung 4.2 Laminare Flammengeschwindigkeit 4.2.1 Einführung zur Messung der laminaren Flammengeschwindigkeit 4.2.2 Anwendung der Winkelmethode 4.2.3 Einfluss der Streckung auf laminare Flammen 4.2.4 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung 4.2.5 Messergebnisse 4.3 Zündverzugszeit 4.3.1 Einführung zur Messung der Zündverzugszeit 4.3.2 Funktionsprinzip eines Stoßrohres 4.3.3 Versuchsaufbau und Durchführung der Messung 4.3.4 Messergebnisse 5 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN STRUKTUR UND REAKTIVITÄT 5.1 Vergleich von n‐Dodecan und Isooctan 5.2 Vergleich von n‐Propylcyclohexan und n‐Propylbenzol 6 BERECHNUNG DER VERBRENNUNGSEIGENSCHAFTEN 6.1 DLR‐Mechanismus 6.2 Berechnung der laminaren Flammengeschwindigkeit 6.3 Berechnung der Zündverzugszeit 7 ZUSAMMENFASSUNG 8 FAZIT UND AUSBLICK 9 LITERATURVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ANHANG