Die Untersuchung von schnell ablaufenden Reaktionen bei hohen Temperaturen stellt, neben der globalen thermodynamischen Beschreibung von Prozessen, an die Versuchstechnik sehr hohe Anforderungen. Ein detailliertes kinetisch orientiertes Verständnis der Stoff- und Energieumsatzvorgänge ist somit unerlässlich. Es erlaubt eine zeitabhängige Beschreibung der Verbrennung, der Flammenausbreitung oder der Materialsynthese über Gasphasenreaktionen, die oft durch komplizierte Elementarreaktionen charakterisiert sind. Hierfür ist es wichtig, die zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen zu verstehen und die Reaktionskoeffizienten der ausgewählten Reaktionen als Funktion der Temperatur und des Druckes zu bestimmen. Insbesondere die Bildung und die Reaktionen kurzlebiger reaktiver Zwischen-Intermediate müssen bekannt sein. Diese Zwischenprodukte bestimmen die Produktverteilung bei den Verbrennungsprozessen. Die Stoßwellenmethode hat sich zur Untersuchung elementarer Gasphasenreaktionen bei hohen Temperaturen etabliert. Im Stoßwellenrohr können Drücke (0.1-1000 bar) und Temperaturen (500-15000 K) über weite Bereiche realisiert werden.

Dem Institut stehen für diese Aufgaben verschiedene Stoßwellenrohre, in denen sich in einem weiten Druck- und Temperaturbereich Reaktionsbedingungen realisieren lassen, zur Verfügung. Diese Versuchsanlagen unterscheiden sich sowohl hinsichtlich der Reinheit und der Robustheit als auch in den spektroskopischen Verfahren, mit denen die Spezies untersucht werden können. Neben der Anwendung der Atom-Resonanz-Absorptions-Spektroskopie (z. B. Nachweis von O, H, Ga Sn) wurden am IVG experimentelle und diagnostische Methoden neu entwickelt bzw. für neue Messaufgaben in der Reaktionszone hinter Stoßwellen eingesetzt [1, 2]. Für den Nachweis von transienten Spezies (z. B CH (A ²Δ-X ²Π (0, 0)), SiH(A ²Δ-X ²Π (0, 0)), SiH₂(A ¹B₁-X¹A₁ (020)-(000)) und OH(A ²Σ+-X2Πi(0,0))) stehen zwei schmalbandige, durchstimmbare Ring-Dye- bzw. Ti-Saphir-Laser zur Verfügung, die selektiv auf einzelne Absorptionslinien im Spektrum eines elektronischen Übergangs der Radikale abgestimmt werden können. Neben den Gasphasenreaktionen von Precursoren ist die Partikelbildung im Nanobereich von großem Interesse. Hierzu wurden ebenfalls kinetische Daten wichtiger chemischer Reaktionen für bestimmte Reaktionsbedingungen in einem Stoßwellenrohr spektroskopisch gewonnen. Auch weitere Schritte wie die Kondensation und das Partikelwachstum werden untersucht [3, 4].

Ein anderer zentraler Arbeitsschwerpunkt im Institut für Verbrennung und Gasdynamik ist die Bestimmung von Zündverzugszeiten bestimmter Modellkraftstoffe für Benzin und Diesel in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Inertgas. Für diese Aufgabe wurde das Stoßwellenrohr mit einem Heizsystem ausgestattet, das eine Temperierung des Stoßrohres auf Temperaturen bis 150 °C ermöglicht (siehe Bild). Die Messungen von Zündverzugzeiten werden durch Detektion von Druckanstieg und CH-Emission bestimmt [5].

Literatur:
[1] TAKAHASHI, K., KUNZ, A., WOIKI, D.; ROTH, P.
A Kinetic Study on the Thermal Decomposition of SnCl4 using Shock Tube-ARAS Technique.
Proceedings of the 22nd Int. Symp. on Shock Waves (VOL I), pp. 111-116, Univ. of Southampton Press, Southampton 2000.
[2] KUNZ, A., ROTH, P.
Laser Flash Photolysis of SiCl4 at High Temperature Based on Si- and Cl-Concentration Measurements.
J. Phys. Chem. 103, p. 841-846 (1999).
[3] WOIKI, D., GIESEN, A. ROTH, P.
A Shock Tube Study on the Thermal Decomposition of Fe(CO)5
Proceedings of the 23rd Int. Symp. On Shock Waves
[4] STARKE, R., KOCK, B., ROTH, P.
Nano-Particle Sizing by Laser-Induced-Incandescence (LII) in a Shock Wave Reactor
Shock Waves Vol. 178, 2003
[5] HERZLER, J., JERIG, L., ROTH, P.
Shock-Tube study of the ignition of Propane at intermediate temperatrues and high pressures
Combustion Science and Technology, 2004

Mustapha Fikri