Entwicklung und Reduktion eines Mehrkomponentenreferenzkraftstoffes für Benzin

Within this thesis, a detailed multicomponent gasoline surrogate reaction scheme was developed and reduced to a four component scheme of skeletal size. The main target is to cover the most important features for typical spark ignited (SI) combustion - flame propagation, emission formation and the tendency to auto ignite and subsequently cause engine knock. To achieve this a variable mechanism concept was developed to include sub models for different fuels as needed. Using this approach a detailed mechanism describing the oxidation of n-heptane, iso-octane, toluene and ethanol was compiled and compared against various experiments published in literature. Furthermore, correlations were developed to suggest four component gasoline surrogates based on typical fuel data sheets. The correlation method is validated against measurements in Cooperative Fuel Research (CFR) engine from various groups and further compared against correlations between octane numbers (ON) and predicted 0D ignition delay times. These correlations are used to identify and discuss the impact of the uncertainty of two reactions on ignition delay time of a multicomponent fuel. To be able to reduce the detailed scheme in a time efficient way existing reduction concepts where improved and applied to different schemes and targets. Since various reduction techniques are available, an optimal sequence of those was worked out. Using this sequence of reduction steps two multicomponent schemes were compiled: one scheme for the prediction of laminar flame speeds and one for the prediction of major emissions and auto-ignition. To underline that the suggested reduction procedure is universal it was also applied to n-heptane as single fuel surrogate for diesel fuel and to a large two component fuel from another work group. In dieser Arbeit wurde ein detaillierter Reaktionsmechanismus für einen Mehrkomponentenersatzkraftstoff für Benzin entwickelt und zu einem vier Komponenten Skelett-Mechanismus reduziert. Das Hauptaugenmerk lag darauf die wichtigsten Eigenschaften für typische Verbrennungsprozesse/Verbrennungsregime in Ottomotoren abzudecken: Flammenausbreitung, Emissionsbildung und die Tendenz zum durch Selbstzündung indizierten Klopfens. Um dies zu erreichen wurde ein variables Mechanismenkonzept entwickelt mit dessen Hilfe sich Submodelle für verschiedene Kraftstoffe einbinden lassen. Mit diesem Ansatz wurde ein detaillierter Mechanismus erstellt um die Oxidation von n-Heptan, iso-Oktan, Toluen und Ethanol zu beschreiben und gegen verschiedene publizierte Experimente verglichen. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt um vier Komponenten Ersatzkraftstoffe mit Hilfe von Kraftstoffdatenblättern zu formulieren. Diese Methode ist gegen Messungen von verschiedenen Gruppen in dem Cooperative Fuel Research (CFR) Motor validiert. Weiterhin wurden die Gemische gegen Korrelationen zwischen Oktanzahlen und 0D Zündverzugszeiten verglichen. Diese Korrelationen wurden genutzt um den Einfluss der Unsicherheit in der Reaktionsgeschwindigkeit zweier Reaktionen zu identifizieren und zu diskutieren. Um den detaillierten Reaktionsmechanismus effektiv reduzieren zu können wurden existierende Reduktionskonzepte verbessert und auf verschiedene Mechanismen und Ziele angewendet. Da verschiedene Reduktionstechniken zur Verfügung standen wurde eine optimale Reihenfolge ausgearbeitet. Mit Hilfe dieser Reduktionssequenz wurden zwei reduzierte Mehrkomponentenreaktionsmechanismen erzeugt: Einer zur Vorhersage von laminaren Flammengeschwindigkeiten und einer für die Vorhersage von Hauptemissionen und Selbstzündung. Um zu unterstreichen, dass die entwickelte Reduktionsprozedur universal einsetzbar ist, wurde diese auch zur Reduktion eines n-Heptan Mechanismus angewendet. Weiterhin wurde ein großer Reaktionsmechanismus einer anderen Arbeitsgruppe für einen zwei Komponenten Dieselersatzkraftstoff reduziert.