Beispiele für technische Systeme
Es ist klar, dass ein so oft hergestelltes „Produkt“ mit allen verfügbaren Mitteln zu optimieren ist. Wieder sind die hierbei vor allem auftretenden Fragen nach Effizienz und Schadstoffbildung letztlich nur mit einem tieferen Einblick in die Hintergründe der Verbrennung zu beantworten.
Die Untersuchung eines Verbrennungsmotors mit laserdiagnostischen Methoden ist ein Forschungsgebiet am Institut für Technische Thermodynamik. Herzstück des Experiments ist ein einfacher Verbrennungsmotor, der mit Glasfenstern ausgestattet ist, so dass ein Einblick von oben in den Brennraum möglich wird, ebenso wie das Einfädeln eines horizontalen Laserlichtschnitts von der Seite (Abbildung 11, links). Das Experiment wird beispielsweise zur Untersuchung chemischer Spezies, die über die Vorgänge bei der Zündung und Verbrennung genauen Aufschluss geben, genutzt.
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| Zeichnung eines Motors mit Glaszylinderkopf. | Laserinduziertes Fluoreszenzsignal aus dem Brennraum des Motors bei klopfendem Betrieb. Die Beobachtungsrichtung ist von oben entlang der Mittelachse des Zylinders. Die Farbskala gibt die Fluoreszenzstärke von intermediären Spezies (hier z.B. Formaldehyd) an, die beim chemischen Zerfall des Kraftstoffs vor der Zündung gebildet werden, und nach der Zündung bei der eigentlichen Verbrennung abgebaut werden. |
In Abbildung 11 ist die örtliche Verteilung eines typischen Zwischenprodukts (Formaldehyd, CH2O) gezeigt, das in der langen Abfolge chemischer Reaktionen (vgl. Abbildung 1 links) gebildet und dann wieder abgebaut wird. Die Phase der Formaldehyd-Bildung fällt hierbei mit dem Abbau des Kraftstoffs und dem Beginn der Selbstzündung zusammen; bei der eigentlichen Verbrennung wird Formaldehyd wieder sehr rasch abgebaut. Dunkle Zonen im Bild entsprechen verbranntem Abgas, da hier kein Zwischenprodukt mehr vorhanden ist. Helle Zonen entstehen unmittelbar vor der Verbrennung, wo der Kraftstoff gerade chemisch zersetzt wird und dabei für kurze Zeit reaktive Zwischenprodukte gebildet werden.
Das Auftreten von „hot spots“, in denen eine Selbstzündung unabhängig von der regulären Flamme (die sich von der rechts unten befindlichen Zündkerze aus in den Brennraum ausbreitet) stattfindet, wird durch dunkle Flecken in der unverbrannten Zone sichtbar. Solche Untersuchungen geben Aufschluss über Selbstzündungsprozesse in Motoren, die schon in naher Zukunft die Grundlage für neue Betriebsmodi bilden könnten, nämlich für den HCCI (homogeneous charge compression ignition) Modus und für den CAI (compression auto ignition)-Modus.
Zusammenfassung und Ausblick
Verbrennung ist und bleibt einer der wichtigsten Prozesse für den Ablauf unserer technisierten Welt. Während ihr wesentlicher Nutzen, nämlich die hierbei entstehende Wärme, sich rein aus thermodynamischen Aspekten ergibt, sind die Ursachen für die bekannten Probleme wie etwa der Schadstoffbildung nur bei einer detaillierten Betrachtung der zugrunde liegenden chemischen und physikalischen Prozesse zu verstehen. Dies sind hauptsächlich der komplizierte Ablauf chemischer Elementarreaktionen und die Wechselwirkung dieser Reaktionen mit physikalischen Prozessen wie der turbulenten Mischung von Stoffströmen und Transportphänomenen. Während die zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Gleichungen im Prinzip bekannt sind, ist ihre vollständige numerische Auswertung für prädiktive Simulationen technischer Verbrennungsprozesse nicht praktikabel. Außerdem hängen diese Gleichungen von zahlreichen numerischen Parametern ab, die oft noch nicht genügend genau bekannt sind.
Es werden aber jetzt und erst recht in Zukunft immer genauere Simulationsverfahren für die Entwicklung sauberer Verbrennungsanlagen benötigt. Zu den vordringlichsten Aufgaben der Verbrennungsforschung gehört daher die Entwicklung effizienter, aber hinreichend genauer Verfahren für die Beschreibung und Modellierung von Verbrennungsprozessen. Die Erfahrung zeigt, dass eine effiziente und genaue Beschreibung von Verbrennungsprozessen trotz ihrer intrinsischen Komplexität möglich ist. Paradoxerweise ist es gerade eine wesentlich zur Komplexität der Verbrennung beitragende Eigenschaft, nämlich das Auftreten von Prozessen mit stark unterschiedlichen Zeitskalen, die eine stark vereinfachte Beschreibung ermöglicht. Daher sind hierarchische Modellierungskonzepte die Methode der Wahl, wenn technische Verbrennungssysteme durch Modelle mit Vorhersagekraft beschrieben werden sollen. Durch die Kombination von laserdiagnostischen Methoden und modernen mathematischen Modellierungsstrategien liefert das Institut für Technische Thermodynamik einen Beitrag zur Entwicklung solcher hierarchischen Modelle.
Literatur: Bücher zu Grundlagen der Verbrennung
J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble, Combustion, Springer, ISBN 3-540-42128-9, (2006)
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