Universität Duisburg-Essen
 Ivg Kopf Aktuell
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Laserdiagnostik in Verbrennungsprozessen

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Durch die stürmische Entwicklung der Lasertechnik in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts ist es zum Beispiel möglich geworden, in einer Bunsenbrennerflamme nicht nur das Eigenleuchten zugesetzter chemischer Substanzen zu beobachten, sondern auch die während der Verbren-nung nur sehr kurzzeitig auftretenden chemisch Lichtschnitt Verfahren schematisch instabilen Teilchen ("freien Radikale") mit Laserlicht anzuregen und zum Aufleuchten zu bringen. Auf diese Weise kann man die Chemie in der Flamme unmittelbar sichtbar machen und die mikroskopischen Vorgänge der Umwandlung von Brennstoff mit Luft in Kohlendioxid und Wasser direkt beobachten. Hierzu wird aus einem intensiven Laserstrahl ein dünnes Lichtband geformt und durch die Flamme eines hundertfach vergrößerten Bunsenbrenners mit einer Leistung von 150 kW hindurchgeschossen. Durch Koinzidenz der Emissionswellenlänge des Lasers mit der Absorption des in der Flammenfront auftretenden Hydroxylradikals kann man diese Radikale zu einer intensiven Fluoreszenz anregen. Die Dauer des Laserblitzes und die Verschlußzeit der benutzten CCD-Kamera betragen nur etwa 10 Milliardstel (10-8) Sekunden und sind damit sehr viel schneller als die im Bereich von Tausendstel Sekunden ablaufenden chemischen Reaktionen, so daß eine Momentaufnahme des Zustandes der chemischen Reaktionen in der Flamme möglich ist.

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Im erhaltenen Fluoreszenzbild kann man nun deutlich den dunklen Bereich des noch unverbrannten Erdgas-Luft-Gemisches, in dem noch keine chemische Reaktion stattfindet und damit auch keine Hydroxylradikale auftreten, vom verbrannten äußeren Bereich mit den vom Laser zum Aufleuchten gebrachten Radikalen unterscheiden. Durch zeitliche Verzögerung eines Teils des Laserlichtbandes (das Licht legt in 10-9 Sekunden ein Strecke von 30 cm zurück) und Einsatz weiterer Kameras kann mit Hilfe eng benachbarter Laserlichtschnitte auch die momentane dreidimensionale Flammenstruktur erhalten werden. Man erkennt deutlich die stark zerklüftete und verwinkelte Form der Flamme, die durch die Wechselwirkung der explosionsartig ablaufenden chemischen Kettenreaktionen mit der turbulenten Strömung gebildet wird. Stark turbulente Strömungen werden in den meisten technischen Verbrennungsprozessen wie z.B. in Automobilmotoren, Flugzeugturbinen und Kraftwerksbrennern benutzt, um eine möglichst rasche chemische Umsetzung auf kleinstem Raum in kurzer Zeit zu erzielen.

Bei der Verbrennung des einfachsten Kohlenwasserstoffes Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases laufen nach dem erstmals von Jürgen Warnatz, dessen Forschungsgruppe im IWR in Heidelberg arbeitet, aufgestellten chemischen Mechanismus über 400 einzelne Reaktionen gleichzeitig ab. Die Kopplung der Reaktionen mit den Strömungs- und Transportprozessen der Flamme erfolgt durch Lösung der Erhaltungsgleichungen für Energie, Impuls und Masse der chemischen Teilchen. Möchte man eine turbulente Bunsenflamme auf diese Weise mathematisch simulieren, so sind etwa 1018 Rechenoperationen notwendig. Eine Vorstellung von der Größe dieser Zahl erhält man, wenn man bedenkt, daß sie etwa dem Alter des Universums in Sekunden entspricht. Auch die schnellsten Parallelrechner erreichen zur Zeit nur etwa 1012 Rechenoperationen in der Sekunde ('Teraflops'). Hieraus ergibt sich, daß in den nächsten Jahren eine praktikable mathematische Beschreibung technischer Verbrennungsprozesse nur dann möglich ist, wenn sowohl die Turbulenz als auch die chemischen Reaktionen durch vereinfachte, jedoch in ihren Gültigkeitsbereichen klar beurteilbare Modelle beschrieben werden können. Bereits im Jahre 1940 machte G. Damköhler den Vorschlag, das komplizierte durch die turbulente Strömung verwinkelte und aufgefaltete Bild der Flammenfront durch ein Ensemble gekrümmter und gestreckter Flämmchen (englisch 'flamelets') darzustellen, bei denen die Verbrennung in einer dünnen eindimensionalen Flammenfront abläuft. Auf diese Weise kann die über laminare Flammen zur Verfügung stehende Information zur Modellierung dreidimensionaler turbulenter technischer Flammen genutzt werden.

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Eine Überprüfung der Modellvorstellungen durch eine Momentanaufnahme der mikroskopischen Flammenfrontstruktur ist mit Hilfe der Laser-Lichtschnitt-Technik möglich. Im gleichen Volumenelement der Flamme wird hierzu neben der Hydroxylradikalverteilung mit Hilfe eines zweiten Lasers die Intensität des Rayleigh-Streulichtes bestimmt. Die Intensität dieses Streulichts ist direkt proportional zur Anzahl der lichtstreuenden Teilchen und damit bei konstantem Druck ein Maß für die lokale Temperatur. Die durch leistungsstarke Ultraviolettlaser erzeugten intensiven Rayleigh-Signale bestätigen, daß turbulente Flammen unter bestimmten Turbulenzbedingungen mit Hilfe des Damköhler'schen Flamlet-Modells beschrieben werden können. Auf diese Weise lassen sich z.B. die lokalen Konzentrationen des Schadstoffes Stickoxid (NO) während der Verbrennung in einem Automobilmotor vorausberechnen.


Eine direkte quantitative Beobachtung der NO-Bildung während der Verbrennung im Automobilmotor ist auch mit der Laser-Lichtschnitt-Technik möglich. Hierzu wird das Temperaturfeld wieder mit Hilfe der Rayleigh-Streuung auf einer CCD-Kamera erfaßt, während eine zweite Kamera die Fluoreszenz der gebildeten NO-Moleküle im Motor aufnimmt. Die momentanen Konzentrationsverteilungen des NO im Brennraum eines Forschungsmotors zeigen deutlich, daß bereits kleine Temperaturunterschiede aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der NO-Bildungsgeschwindigkeit zu lokal stark erhöhten NO-Mengen führen können. Durch eine detaillierte mathematische Modellierung und sorgfältige Kontrolle der Strömungs- und Verbrennungsbedingungen im Motor sollte eine weitere Homogenisierung der Verbrennungsbedingungen und Temperaturverteilungen und damit eine Reduktion der primären NO-Bildung möglich sein.

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Zur Entwicklung laserspektroskopischer Verfahren für den Einsatz in technischen Verbrennungsprozessen sind eine Reihe spektroskopischer Untersuchungen notwendig. Bedingungen, wie sie in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen vorliegen werden durch Untersuchungen in Hochdruckbrennern und rußenden Standardflammen simuliert. Hier können in laminaren, stationären Verbrennungsprozessen die Verfahren und ihre Einflußgrößen detailliert untersucht werden und somit der notwendige Datensatz zur Auswertung der Messungen in den turbulenten technischen Verbrennungssystemen bereitgestellt werden
Letzte Änderung: Montag, 10.12.2012
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