Einführung in die Verbrennung - Vorlesung

17 July 2025, Andreas Huber, Torsten Methling, Holger Huck, Nils Jakobs

Schadstoffe

• $NO_x$
• Summe aus $NO$ und $NO_2$
• $N_2O$ Schadstoff und klimarelevant, wird manchmal auch zu $NO_x$ gerechnet
• Ruß, Partikel, Feinstaub, Ultra-Feinstaub
• $CO$
• Unverbrannte Kohlenwasserstoffe UHC
• $CO_2$ klimawirksam, Treibhauseffekt, eigentlich aber kein Schadstoff

In der Luftfahrt sind Emissionen bezogen auf den Schub, Einheit $g/kN$ - genormte Berechnung für den ICAO-Zyklus

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC) und Kohlenstoffoxide (CO)

Entstehung

• Unvollständige Verbrennung durch lokale Flammenlöschung
• Mangelhafter Oxidator bzw. fette Verbrennung

Wirkung

• CO und einige UHC sind toxisch
• Löschung durch Streckung der Flammenzone
  • Prozess in der verbrennenden Gasmischung
  • Starke Streckung von Flammenfronten durch Turbulenz
  • Keine erneute Zündung? UHC verlassen Reaktionszone
  • Wichtig bei fetten und mageren Flammen

Stickoxide

$NO$ und $NO_2$ durch Verbrennung in Kraftwerken und Verkehr
$NO_2$ fürht zu Atemwegserkrankungen, Sauren Regen, Ozonbildung in Bodennähe, Ozonabbau in der Stratosphäre

Bildungspfade

• Thermisches-$NO$
• Prompt-$NO$
• $NO$ aus Distickstoffoxid ($N_2O$, Lachgas)
• Über brennstoffgebundenen Stickstoff ($N$)

Minimierung

• des Geschwindigkeitskoeffizienten $k$
  • Absenkung der Temperatur
  • Magere Verbrennung mit hoher Luftzahl
  • Effektive Mischung zur Vermeidung von lokalen hot-spots
  • Abgasrückführung
  • Wassereindüsung
• des $O$ / $O_2$ Konzentration und / oder der $N_2$ - Konzemtration
  • Fette, brennstoffreiche Verbrennung
  • Brennstoffstufung
  • Verbrennung mit Sauerstoff
• der Aufenthaltszeit

Ruß

Wirkung

• Breitbandige Strahlung (gelbes Leuchten)
• Karzinogene Keinstpartikel können über die Lunge in den Blutkreislauf gelangen
• (Ultra-Fein)-Partikel fördern Zirruswolkenbildung $\rightarrow$ Klimaerwärmung

Verständnis über Rußbildung und beteiligte Prozesse noch Lückenhaft. Grund ist Komplexität der Prozesse.
Hier: vereinfachte Betrachtung, Teilprozesse, wichtige Phänomene

Rußteilchen Koagulation und Oberflächenwachstum

• Teilchen Wachsen
• Kugelförmige Primärpartikel bis 10nm

Rußoxidation

• Oarallel zur Rußbildung finded Rußabbrand (Oxidation) statt
• Nichtlineare Funktion

Brennstoffzusammensetzung hat deutlichen Einfluss, teilweise sind Aromaten bereits im Brennstoff vorhanden, Aromaten werden z.B. wegen Treibstoffdichtungen benötigt

Charakteristische Größen

• Rußvolumenbruch
• Ruß-Teilchenzahldichte
• Rußteilchen-Durchmesser

Messungen

• Problem bei Messung der Charakteristischen Größen: Daten sind nicht im Zusammenhang entstanden - Es gibt Generelle Trends die aus den Messungen abgelesen werden können - Wo entsteht mehr Ruß, wo entsteht weniger?
• Rußvolumenbruch nimmt zu
  • Mit steigendem $p$ und steigendem $C/O$ Verhältnis
  • Temperaturabhängigkeit: Glockenkurve

Rußstruktur

Schwer zu charakterisieren:

• Kein klarer Übergang von Gasphase zu Flüssigkeit oder Flüssigkeit zu fest
• Frischer Ruß / Gealterter Ruß

Simulation über hochwertige Modellierung von Gasphase, PAHs- und Ruß. Erfassung der Rußgrößenverteilung, für unterschiedliche Treibstoffe validiert
Rußvermeidung durch:

• Lange Ausbrandzeit und daraus resultierende hohe Temperatur und Sauerstoffüberschuss
• Leider Wiederspruch zu $NO$-Vermeidung (Ruß-$NO$-Schere)

Ruß und $NO$ gleichzeitig zu minimieren ist nur schwer möglich