Experimental investigation of carbon nanotube photo ignition for combustion in ICEs

Abstract

Denne masteroppgaven er en del av prosjektet NanoIgnite, der målet er å undersøke mulighet for å antenne alternative drivstoff, slik som ammoniakk eller hydrogen, ved bruk av fotoantenning av nanorør av karbon. Det ble tidlig undersøkt mengden energi som kreves for antenning av en sammensetning av ferrocen og nanorør av karbon, ved ulike typer sammensetninger og ved bruk av ulike lyskilder. En Godox kamerablits ble konkludert med å være den mest kraftfulle lyskilden, og er i stand til å antenne blandingen av nanorør av karbon og ferrocen 5.4cm inn i forbrenningskammeret. Lyset ble tilført partiklene gjennom et vindu i kammeret. Mesteparten av denne oppgaven omhandler bruk av Xenonlamper, for å kunne antenne en gassblanding av luft og metan i et statisk forbrenningskammer. Vellykket fotoantenning av luft og metanblandingen oppsto når sammensetningen av ferrocen og nanorør av karbon ble plassert rett innenfor vinduet. Så vidt forfatteren vet, er dette første gang fotoantenning finner sted ved bruk av en lyskilde plassert utenfor et forbrenningskammer. Sammensetningen av ferrocen og nanorør av karbon antente ikke luft og metanblandingen når partiklene var spredt i kammeret. Øvre og nedre grense for trykket, p, og det inverse luftoverskuddtallet, φ, i forbrenningskammeret som ledet til vellykket fotoantenning var henholdsvis p=4 bar og φ=0.8, i tillegg til p=2 bar og φ=0.7. Tidsbegrensninger førte til at det ble gjennomført få eksperimenter som omhandlet fotoantenning. Som et resultat av dette prosjektet, står man allikevel igjen med en eksperimentell rigg satt opp for å kunne utføre detaljerte undersøkelser av fenomenet fotoantenning av nanorør av karbon.

This work is part of the NanoIgnite project designed to investigate the possibility of igniting fuel, such as hydrogen or ammonia, in an engine using the phenomenon of photo ignition of carbon nanotubes. Initial testing examined the use of different light sources and different carbon nanotubes mixtures. It was concluded that the most powerful Xe flash was a Godox Xe camera flash. This light source was able to ignite samples of CNTs and ferrocene at distances of maximum 5.4 cm. The majority of the work presented in this thesis is the investigation using Xenon (Xe) flashes for photo ignition of an air-methane mixture within a static combustion chamber. Successful photo ignition within the static combustion chamber was achieved for samples of CNTs and ferrocene placed inside of the optical access of the chamber. To the authors’ knowledge, this is the first successful photo ignition using a light source placed outside of the combustion chamber. Photo ignition did not occur for a quasi-homogeneously dispersed sample. The photo ignition’s upper and lower limits for the pressure, p, and fuel-air equivalence ratio, φ, were respectively p=4 bar and φ=0.8, and p=2 bar and φ=0.7. Due to time constraints, relatively few experiments were conducted investigating the photo ignition. Nevertheless, a functional experimental rig for conducting further experiments concerning the phenomenon photo ignition has been created.