Rußbildung in Triebwerken entschlüsselt

Bei Flugreisen spielen neben Kohlendioxid auch andere Emissionen eine Rolle für die Klimawirkung, insbesondere Rußpartikel. Diese treten nicht nur in Bodennähe auf, sondern können auf Reiseflughöhe als Kondensations­keime für Eiskristalle und daraus resultierender Kondens­streifenbildung zur Erderwärmung beitragen, wenn Kondensstreifen länger als Kondens­streifenzirren-Bewölkung am Himmel verweilen. Die Rußreduktion mittels möglichst sauberer Triebwerke erfordert ein genaues Verständnis, wie Ruß in Triebwerks­brennkammern entsteht, und wie er dort teilweise auch gleich wieder abgebaut wird. Details dazu ermittelten nun Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR mit ihren Arbeiten zur Rußbildung in Triebwerks­brennkammern.

„Zusammenarbeit zwischen Experimenten und Simulationen sind der Schlüssel zur nächsten Generation noch schadstoff­ärmerer Triebwerke“, sagt Klaus-Peter Geigle vom DLR-Institut für Verbrennungs­technik in Stuttgart. „Durch das Zusammenspiel von Lasermesstechnik und Simulation wurde erstmals detailliert gezeigt, wie Ruß in einer Triebwerks­brennkammer gebildet und wieder verbrannt wird und welche Strömungs­strukturen hierfür verantwortlich sind.“ Die Arbeiten fanden im Rahmen des von der EU geförderten Projekts SOPRANO (Soot Processes and Radiation in Aeronautical Innovative Combustors) statt.

In heutigen Triebwerks­brennkammern wird, um möglichst wenige Stickoxide zu formen, zuerst mit Brennstoff­überschuss verbrannt. Anschließend wird schnell Mischluft eingebracht, und in einer weiteren Zone wird mit Luftüberschuss verbrannt. Dieses Prinzip wird als RQL – Rich burn, Quick quench, Lean burn – bezeichnet. Um nun die Rußemissionen möglichst gering zu halten, muss sicher­gestellt werden, dass Ruß, der sich in der ersten Zone bildet, möglichst vollständig oxidiert wird und somit keine Schadstoffe die Brennkammer verlassen. Mit modernster Hochge­schwindigkeits-Laser­messtechnik und innovativen Computer­simulationen haben die Forscher in Zusammenarbeit mit Wissen­schaftlern aus Algerien und den USA diesen Prozess nun genauer beleuchtet.

Die Arbeiten wurden durch die einzigartige inter­disziplinäre Kompetenz der DLR-Verbrennungs­forscher sowohl im Bereich der optischen Messtechnik als auch im Bereich der Rußsimulation möglich. Künftig werden weitere Arbeiten zum Thema durchgeführt. Der einzigartige Datensatz, der erstellt wurde, wird von Forschern weltweit eingesetzt um ihre Rechenmodelle zu überprüfen. Zusätzlich zur Optimierung der Brennkammer können auch alternative Treibstoffe die Rußemissionen von Flugzeug­triebwerken mindern.

DLR / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Stöhr et al.: Time-resolved study of transient soot formation in an aero-engine model combustor at elevated pressure, Proc. Comb. Inst. 37, 5421 (2019); DOI: 10.1016/j.proci.2018.05.122
• Institut für Verbrennungstechnik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR, Stuttgart
• EU-Projekt SOPRANO – Soot Processes and Radiation in Aeronautical Innovative Combustors