Minimierung des Ausstoßes von Verbrennungsabgasen
Während der Konstruktion von Verbrennungsmotoren ist die gleichzeitige Optimierung des Wirkungsgrads, der Verbrennungsstabilität und der Abgasemissionen wahrscheinlich die größte Herausforderung. Die Vorvermischung von Kraftstoff und Luft in einem mageren Verhältnis vor der Verbrennung hat eine umfangreiche Reduzierung der Abgasemissionen, insbesondere bei den Stickoxiden (NOx), ermöglicht. Dieses im Bereich der Herstellung von Verbrennungsmotoren etablierte Verfahren ist leider anfällig für Flammeninstabilitäten. Die Modellierung und die numerische Simulation der komplexen Kopplung von chemisch miteinander reagierenden Strömungen während der Verbrennung wurden daher bei der Konstruktion von Turbinentriebwerken zu einem Punkt von zentraler Bedeutung. Die Projektpartner des MUSCLES-Projekts konnten die Interaktion zwischen den turbulenten Strömungen innerhalb des Luft-Kraftstoffgemischs und der chemischen Reaktion erfolgreich modellieren, indem sie die statistische Wahrscheinlichkeit für alle auftretenden Zustände während des turbulenten Verbrennungsvorgangs berechneten. Die Herangehensweise, die von den Wissenschaftlern an der Universität Karlsruhe gewählt wurde, umfasste die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF) der wichtigsten Parameter. Wichtige Parameter waren neben den entsprechenden Zeitskalen für die chemischen Reaktionen beispielsweise die turbulente Längenskala, die Geschwindigkeit und die Massenanteile der einzelnen Spezies im verbrannten Kraftstoffgemisch. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion jedes einzelnen Parameters muss dabei eine Lösung für die Transportgleichungen ihrer gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion darstellen. Das Verbrennungsmodell für die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion wurde erweitert, um extrem verdünnte Verbrennungsvorgänge unter turbulenten Bedingungen zu beschreiben und anschließend verwendet, um das Flammenverlöschen am mageren Limit, auch bekannt als die magere Löschgrenze, zu simulieren. Eine weitere Reduzierung der Abgasemissionen wird noch magere Luft-Kraftstoffgemische sowie neue Systeme erfordern, die das gesamte Potenzial dieser Verbrennungstechnik ausnutzen können. Durch eine Verschiebung der mageren Löschgrenze könnten niedrigere Verbrennungstemperaturen und somit ein geringerer NOx-Ausstoß erreicht werden. Anfänglich durchgeführte Berechnungen waren bei der Vorhersage der mageren Löschgrenze des Verbrennungssystems erfolgreich und haben den Weg für eine Kostenreduzierung der Testverfahren im Bereich der Entwicklung von Verbrennungsanlagen bereitet.
