Design von Modellbrennstoffen für technisch relevante Brennstoffe



 Abb. 1: Klassen von Brennstoffmolekülen
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Technische Brennstoffe wie Erdgas, Kerosin, Benzin oder Diesel bestehen aus vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffen, die in die vier Klassen (n-Paraffine, iso-Paraffine,  Cyclo-Paraffine und Aromaten) eingeteilt werden können, Abb. 1.

Das Erstellen von Modellen für technische Brennstoffe (Modellbrennstoffdesign) bedeutet, geeignete Komponenten sowie deren Mischungsanteile so zu bestimmen, dass sie repräsentativ für den realen Kraftstoff sind: Der entwickelte Modellbrennstoff (Surrogat) muss die entsprechenden physikalischen und chemischen Eigenschaften des technischen Brennstoffes haben, um in numerischen Simulationen des Brennstoffverhaltens nutzbar zu sein. Modellbrennstoffe ermöglichen so z.B. Simulation der Auswirkungen verschiedener technischer Brennstoffe bei der  Auslegung von Brennkammern,  Abb. 2.

Die Erstellung eines Modellbrennstoffs ist ein iterativer Prozess, der aus zwei globalen Schritten besteht, Abb. 3, dessen Ziel die Wiedergabe der physikalischen und chemischen Eigenschafften des realen Brennstoffs durch einen viel einfacheren aber dennoch repräsentativen Modellbrennstoff ist. 

 Abb. 2: Physikalisch–chemische Brennstoffeigenschaften
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I. Schritt

 Abb. 3: Konzept des Modellbrennstoffdesigns: Die Erstellung des Surrogats mit den fundamentalen Eigenschaften realer Brennstoffe.
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Schritt I hat als Ziel die Bestimmung der Zusammensetzung des Modellbrennstoffs. Dabei  ist darauf zu achten, dass aus jeder der vier Komponentenklassen Spezies in entsprechendem Umfang in den Modellbrennstoff integriert werden. Der genaue Anteil jeweiligen Spezies wird durch die berechneten Eigenschaften des sich ergebenden Surrogats wie Bildungsenthalpie, Verbrennungsenthalpie, Viskosität bei 40 °C,  Dichte bei 15 °C, H/C-Verhältnis, Destillationskurve, Zweiphasendiagramm, kritische Temperatur und Druck, Rauchpunkt und Cetanzahl bestimmt, Abb.4. Die berechneten physikalischen Eigenschaften werden dann mit experimentellen Daten des realen Brennstoffs wie z.B. Kerosin, Benzin oder Diesel verglichen, Abb. 5. 

 Abb. 4: Schematische Darstellung des iterativen Vorgehens bei der Modellbrennstoffentwicklung
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Die physikalischen Eigenschaften werden mit einem eigens dafür entwickelten numerischen Code berechnet.

II. Schritt

 Abb. 5: Vergleich der gewonnenen Eigenschaften eines typischen Modellbrennstoffs  (11 % Propylcyclohexan + 14 % i-Oktan + 22 % Dodecan + 28% 1-Methylnaphtalin +24 % Hexadekan) mit experimentell ermittelten Werten für reales Kerosin.
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Schritt II hat als Ziel die Modellierung der chemischen Eigenschaften des Modellbrennstoffs mit einem entsprechenden Reaktionsmodell im Hinblick auf chemische Zusammensetzung (C/H-Verhältnis) und chemische Eigenschafften: Konzentrationsprofile, Flammengeschwindigkeiten, Zündverzugszeiten, Rußbildungsneigung (TSI Faktor) und Schadstoffbildung, Abb.4. Vor der Verifizierung der chemischen Eigenschaften des Surrogats muss ein Reaktionsmodell (LINK mit Modellierung) erstellt werden, das sowohl die chemischen Eigenschaften der individuellen Kohlenwasserstoffe als auch deren Mischungen beschreibt.

Nach dieser chemischen Modellierung erfolgt ein weiterer Vergleich mit experimentellen Werten für den technischen Brennstoff. Auf Grund der so gewonnenen Ergebnisse wird die Zusammensetzung überprüft und gegebenenfalls verbessert, im Anschluss wiederholen sich Schritt I und II iterativ bis ein zufriedenstellend genaues Ergebnis erreicht wird, Abb. 5 und 6.

 Abb. 6: Vergleich der berechneten chemischen Eigenschaften einer Modellbrennstoffmischung mit experimentellen Werten von realem Kerosin.
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