Verbrennung

Frontmatter

1. Grundlegende Begriffe und Phänomene

Zusammenfassung

Verbrennung ist die älteste Technik der Menschheit; sie wird wahrscheinlich seit mehr als 1 000 000 Jahren benutzt. Etwa 90% der weltweiten Energieversorgung (zum Beispiel in Verkehr, Stromerzeugung, Heizung) beruhen heute auf Verbrennungsvorgängen, so dass es in jedem Fall lohnenswert ist, sich mit diesem Thema zu befassen. Auch kleinste Verbesserungen können hier Riesensummen sparen helfen und zur Verbesserung der Umweltsituation führen.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

2. Experimentelle Untersuchung von Flammen

Zusammenfassung

Numerische Simulationen, die in den folgenden Kapiteln detailliert behandelt werden, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Trotz des großen Fortschritts auf dem Gebiet der numerischen Simulation werden jedoch experimentelle Untersuchungen stets zu deren Unterstützung notwendig sein.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

3. Mathematische Beschreibung laminarer flacher Vormischflammen

Zusammenfassung

Verbrennungsprozesse resultieren aus einer Vielfalt verschiedener Prozesse wie Strömung, chemischer Reaktion (siehe Kapitel 6 und 7) und molekularem Transport (z. B. Wärmeleitung, Diffusion, Reibung; siehe Kapitel 5). Bei einer Beschreibung von Verbrennungsprozessen müssen alle diese Vorgänge berücksichtigt werden.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

4. Thermodynamik von Verbrennungsvorgängen

Zusammenfassung

Die Thermodynamik erlaubt die Berechnung von Stoffeigenschaften, wie spezifischen Wärmekapazitäten c _p oder spezifischen Enthalpien h, die in den Erhaltungsgleichungen auftreten. Weiterhin lassen sich mittels der Thermodynamik Gleichgewichtstemperatur und Gleichgewichtszusammensetzung des Abgases hinter einer Verbrennungsfront ermitteln.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

5. Transportprozesse

Zusammenfassung

Die molekularen Transportprozesse, d. h. Diffusion, Wärmeleitung und Viskosität, haben alle gemeinsam, dass bei ihnen durch die Bewegung der Moleküle im Gas gewisse physikalische Größen transportiert werden. Diffusion ist Transport von Masse bedingt durch Konzentrationsgradienten, Viskosität ist der Transport von Impuls bedingt durch Geschwindigkeitsgradienten, und Wärmeleitung ist Transport von Energie bedingt durch Temperaturgradienten. Zusätzlich zu diesen Prozessen treten auch andere Phänomene auf, wie Massentransport durch Temperaturgradienten (Thermodiffusion, Soret-Effekt) oder Energietransport durch Konzentrationsgradienten (Dufour-Effekt). Der Einfluss dieser Prozesse ist im allgemeinen aber sehr klein und wird bei Verbrennungsvorgängen oft vernachlässigt (eine detaillierte Darstellung der Transportprozesse findet man bei Bird et al. 1960, Hirschfelder et al. 1964 oder Tien und Lienhard 1971).

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

6. Chemische Reaktionskinetik

Zusammenfassung

Die in Kapitel 4 beschriebenen thermodynamischen Gesetze ermöglichen die Bestimmung des Gleichgewichtszustandes eines chemischen Reaktionssystems. Nimmt man an, dass die chemischen Reaktionen sehr schnell gegenüber den anderen Prozessen, wie z. B. Diffusion, Wärmeleitung und Strömung, ablaufen, so ermöglicht die Thermodynamik allein die Beschreibung eines Systems (siehe z. B. Abschnitt 13.2). In den meisten Fällen jedoch laufen chemische Reaktionen mit einer Geschwindigkeit ab, die vergleichbar ist mit der Geschwindigkeit der Strömung und der molekularen Transportprozesse. Aus diesem Grund werden Informationen über die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, d. h. die chemische Reaktionskinetik, benötigt. Hierzu sollen die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten im folgenden beschrieben werden.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

7. Reaktionsmechanismen

Zusammenfassung

Der Verbrennung selbst von relativ kleinen Kohlenwasserstoffen liegen sehr umfangreiche Reaktionsmechanismen zugrunde. In Kapitel 6 wurde gezeigt, dass schon bei der Verbrennung von Wasserstoff (mit der Bruttoreaktion 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O) fast 40 Elementarreaktionen zur Beschreibung der detaillierten Reaktionsprozesse benötigt werden. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (z. B. Methan) sind die Reaktionsmechanismen erheblich größer. In einigen Fällen (z. B. bei der Selbstzündung von Dieselkraftstoff mit der typischen Komponente Cetan C₁₆H₃₄, siehe Kapitel 16) sind mehrere tausend Elementarreaktionen am Gesamtgeschehen beteiligt.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

8. Laminare Vormischflammen

Zusammenfassung

Die Messung von laminaren Flammengeschwindigkeiten und die experimentelle Bestimmung von Konzentrations-und Temperaturprofilen in laminaren Flammenfronten wurden in Kapitel 2 behandelt. Eine große Herausforderung stellt die Entwicklung eines Modells dar, das experimentell beobachtete Konzentrations- und Temperaturprofile reproduziert und auch eine Vorhersage bei Verbrennungsprozessen erlaubt, für die keine experimentellen Daten vorliegen. In Kapitel 3 wurde beschrieben, wie sich laminare flache Flammen mathematisch modellieren lassen. Eine Bilanz für die Erhaltung von Masse, Energie und Teilchenmassen in einem chemischen Reaktionssystem führte zu den Erhaltungsgleichungen, einem partiellen Differentialgleichungssystem.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

9. Laminare nicht-vorgemischte Flammen

Zusammenfassung

Im letzten Kapitel wurden vorgemischte Flammen diskutiert. In diesen Flammen werden Brennstoff und Oxidationsmittel zunächst gemischt und die Verbrennung findet dann erst nach dieser Vermischung statt. In Kapitel 1 wurden laminare nichtvorgemischte Flammen bereits als einer der grundlegenden Flammentypen kurz vorgestellt. Es handelt sich bei ihnen um Flammen, bei denen Brennstoff und Oxidationsmittel erst im Verbrennungsraum miteinander vermischt werden und bei denen deshalb Vermischung und Verbrennung gleichzeitig stattfinden. Einfache Beispiele wurden in Tab. 2.1 gezeigt. Im vorliegenden Kapitel wird ein Modell für laminare nicht-vorgemischte Flammen beschrieben. Die Erweiterung auf turbulente nichtvorgemischte Flammen ist Gegenstand von Kapitel 14.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

10. Zündprozesse

Zusammenfassung

Die Beschreibung vorgemischter (Kapitel 8) und nicht-vorgemischter (Kapitel 9) Flammen nahm an, dass die Flammen stationär und die Lösungen deshalb zeitunabhängig sind. Als Zündung bezeichnet man den zeitabhängigen Prozess, bei dem ausgehend von Reaktanden eine Reaktion stattfindet bis sich eine stationär brennende Flamme ausgebildet hat oder bis das System vollständig zu den Produkten reagiert hat. Zündprozesse sind stets instationäre Vorgänge. Beispiele sind induzierte Zündprozesse (wie z. B. die Funkenzündung in Ottomotoren), Selbstzündungen (wie z. B. in Dieselmotoren).

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

11. Die Navier-Stokes-Gleichungen für dreidimensionale reaktive Strömungen

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln wurden die Erhaltungsgleichungen für eindimensionale Flammen beschrieben und numerische Verfahren zu ihrer Lösung aufgezeigt. Ausgehend von einer Betrachtung der verschiedenen Prozesse in einer chemisch reagierenden Strömung sollen nun die allgemeinen dreidimensionalen Erhaltungsgleichungen für ein beliebiges System hergeleitet werden.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

12. Turbulente reaktive Strömungen

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln wurden vorgemischte und nicht-vorgemischte Flammen unter der Annahme eines laminaren Strömungsfeldes diskutiert. Die meisten technischen Verbrennungsprozesse (Motoren, Brenner, Gasturbinen) verlaufen jedoch unter turbulenten Bedingungen. In turbulenten reaktiven Strömungen sind Mischungsprozesse erheblich schneller. Deshalb sind kleinere Abmessungen der Brennkammern im Vergleich zu laminaren Verbrennungsprozessen möglich. Trotz der weiten Verbreitung turbulenter Verbrennungsprozesse gibt es noch viele offene Fragen. Deshalb ist ein verbessertes Verständnis turbulenter Verbrennungsprozesse ein sehr aktuelles Forschungsgebiet.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

13. Turbulente nicht-vorgemischte Flammen

Zusammenfassung

Turbulente nicht-vorgemischte Flammen sind von großem Interesse in praktischen Anwendungen. Man findet sie zum Beispiel in Düsentriebwerken, Dieselmotoren, Dampferzeugern, Öfen und Wasserstoff-Sauerstoff-Raketentriebwerken. Da sich Brennstoff und Oxidationsmittel erst im Verbrennungsraum vermischen, sind nichtvorgemischte Flammen im Hinblick auf sicherheitstechnische Überlegungen wesentlich einfacher zu handhaben als die viel gefährlicheren vorgemischten Flammen. Gerade die praktische Bedeutung ist ein Grund dafür, dass zahlreiche mathematische Modelle entwickelt wurden, die eine Simulation dieser Verbrennungsprozesse erlauben.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

14. Turbulente Vormischflammen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden turbulente vorgemischte Flammen behandelt. Der Unterschied zwischen vorgemischten und nicht-vorgemischten Flammen wird deutlich, wenn man die idealisierten Extremfälle betrachtet. Eine ideale nicht-vorgemischte Flamme beinhaltet sehr (im Idealfall unendlich) schnelle Chemie, die schnell in das zu dem jeweiligen Mischungsbruch gehörende Gleichgewicht führt; der Mischungsbruch variiert hierbei. Das unverbrannte Gas in einer idealen vorgemischten Flamme ist vollkommen durchmischt, bevor die chemische Reaktion einsetzt. Die ideale Vormischflamme hat demnach eine δ-Funktion als PDF für den Mischungsbruch. Die chemische Reaktion führt dazu, dass an einer Grenzfläche ein schneller Übergang von unverbrannt zu verbrannt stattfindet. Diese Grenzfläche bewegt sich mit der Geschwindigkeit v_L.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

15. Verbrennung flüssiger und fester Brennstoffe

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln wurden Verbrennungsprozesse in der Gasphase betrachtet. Bei vielen technisch relevanten Verbrennungsprozessen werden jedoch flüssige oder feste Brennstoffe durch ein gasförmiges Oxidationsmittel verbrannt. Beispiele für flüssige Kraftstoffe sind die Verbrennung in Flugzeugturbinen, Dieselmotoren und Ölöfen; Beispiele für Feststoffe sind die Verbrennung von Kohle, Holz (auch bei Haus- und Waldbränden), Kunststoffen und Müll.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

16. Motorklopfen

Zusammenfassung

Eine genaue Kenntnis der Verbrennungsvorgänge in Motoren bildet die Grundlage für eine Weiterentwicklung sowohl der Motortechnik als auch der Kraftstofftechnologie mit dem Ziel, einen sparsameren und umweltfreundlicheren Betrieb von Kraftfahrzeugen zu ermöglichen. Vor allem die beim Ottomotor unerwünscht in Erscheinung tretenden Selbstzündungen verlangen eine besondere Beachtung. Eine thermodynamische Analyse des in einem Ottomotor ablaufenden Kreisprozesses zeigt, dass der ideale Wirkungsgrad n eines Ottomotors mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis ε ansteigt (es gilt dabei 77 = 1-1/ε_k-1). Gleichzeitig nimmt die absolute Leistung infolge des größeren Füllgrades des Motors zu. Die Verdichtung lässt sich jedoch nicht beliebig steigern; Grund dafür ist das Auftreten des Motorklopfens.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

17. Stickoxid-Bildung

Zusammenfassung

Die zunehmende Umweltbelastung erfordert eine Minimierung aller aus Verbrennungsprozessen resultierenden Schadstoffe. Sogar die bis vor nicht allzu langer Zeit als harmlos angesehenen Hauptprodukte Kohlendioxid (im Hinblick auf den Treibhaus Effekt) und Wasser (wenn es z. B. in der oberen Atmosphäre freigesetzt wird) müssen heute als Schadstoffe angesehen werden.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

18. Bildung von Kohlenwasserstoffen und Ruß

Zusammenfassung

Neben den Stickoxiden (Kapitel 17) sind unverbrannte Kohlenwasserstoffe, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und Ruß unerwünschte Schadstoffe bei Verbrennungsprozessen. Die Bildung dieser Schadstoffe ist zwar experimentell recht gut untersucht, ein vollständiges theoretisches Verständnis aller zugrundeliegenden Prozesse liegt zur Zeit jedoch noch nicht vor. Allerdings existieren für einzelne Teilaspekte auch hier Modelle, die jedoch in der Zukunft stark verfeinert und ausgeweitet werden müssen.

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

19. Literaturverzeichnis

Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble

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