Spektroskopische Untersuchungen in Hochdruckflammen

Technische Verbrennungsprozesse laufen häufig unter erhöhten Drücken ab (motorische Verbrennung, Turbinen). Bei der Entwicklung von spektroskopischen Verfahren zum Einsatz in derartigen technischen Prozessen muss der Druckeinfluss auf die Spektren berücksichtigt werden. Entscheidend sind hier Prozesse wie Druckverbreiterung, Fluoreszenzlöschung, Energietransfer, sowie der Einfluss von Fluoreszenzsignalen interferierender Substanzen (in Verbrennungsprozessen spielt hier Laser-induzierte Fluoreszenz von heißem Sauerstoff eine wesentliche Rolle). Diese Prozesse müssen im Detail untersucht werden, um selektive und quantitative Detektion von Minoritätenspezies zu ermöglichen.
In Zusammenarbeit mit dem DLR, Stuttgart und dem HTGL (Stanford University) werden spektroskopische Untersuchungen in stationären, laminaren Flammen im Druckbereich bis 80 bar unternommen (Abb. 1). Die erhaltenen Daten dienen zur Verifizierung und Erweiterung von Programmen zur Simulation der Fluoreszenzspektren.

Abbildung 1: Hochdruckbrenner am HTGL (DLR Design)

NO-LIF Schemata zur Quantitativen NO-Diagnostik in Verbrennungsmotoren

Um die selektive Detektion von NO in Anwesenheit anderer, fluoreszierender Substanzen bei innermotorischen Verbrennungprozessen zu gewährleisten, müssen die Anregungs- (Laser)- und Detektionswellenlängen sorgfältig ausgewählt werden. Im Bereich des Emissionsspektrums von KrF Excimer Lasern (um 248 nm) wurden in stationären Hochdruckflammen Anregungs-Emissionsspektren aufgenommen (Abb. 2). Diese Spektren zeigen alle relevante Information, die die Auswahl eines geeigneten interferenzarmen Anregungs-Emissionsschemas erlaubt. Im Fall von NO wird der KrF excimer Laser auf den NO A-X O12-Bandenkopf abgestimmt. die Fluoreszenzsignal, die von NO bei kürzeren Wellenlängen emittiert werden (zwischen 225 und 240 nm) sind weitgehend frei von Interferenzen, auf unter hohen Drücken wie sie bei innermotorischen Prozessen auftreten.

Abbildung 2: Anregungs-Emissionsspektren bei unterschiedlichen Drücken im Bereich um 248 nm. Die vertikale Achse zeigt die Wellenlängen der anregenden Laserstrahlung. die horizontale Achse die Wellenlängen des Emissionsspektrums.

Signalintensitäten hängen wesentlich von der spektralen Überlappung von Laserlicht und Absorptionslinien der gewählten Spezies ab. Da die Absorptionsspektren stark druckabhängige Verbreiterung aufweisen, sind auch die Signalintensitäten druckabhängig. Mit Hilfe der im Hochdruckbrenner gemessenen Spektren können druckabhängige Verbreiterungskoeffizienten bestimmt werden und Spektren simuliert werden (Abb. 3), die dann in die Datenauswertung der im Motor gemessenen Signalintensitäten einfließen.

Abbildung 3: Variation der NO-Absorptionsspektren mit dem Druck. Die Druckverbreiterung und Spektrensimulation basiert auf experimentellen Untersuchungen im Hochdruckbrenner.

Die aus diesen Experimenten erhaltenen Daten liefern die Grundlage für die Erstellung von Spektren-Simulationsprogrammen. Für NO und O2 unter technisch relevanten Temperatur- und Druckbedingungen wurde von der Arbeitsgruppe das Programm LIFSim entwickelt. www.lifsim.com

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