Laserinduzierte Inkandeszenz (LII)

Zur Rußdiagnostik in Verbrennungsprozessen eignen sich mehrere laserbasierte Verfahren, mit denen die Rußkonzentration, Rußpartikelgrößenverteilung, Rußstruktur etc. bestimmt werden können. Laserinduzierte Inkandeszenz (LII), oder laserinduziertes "Glühen", bietet die Möglichkeit, die Größen von Rußpartikeln zu bestimmen, sowie diese Konzentrationsverteilung abzubilden. Das Verfahren lässt sich darüber hinaus auf Partikel aus anderen Materialien übertragen.

Heiße Partikel emittieren Licht nach dem Planckschen Strahlungsgesetz, erkennbar z.B. an der orangenen Farbe rußender Flammen, die Temperaturen bis 2000 K erreichen können. Bei der laserinduzierten Inkandeszenz werden die Partikel durch einen energiereichen Laserstrahl weiter aufgeheizt bis zur Verdampfungstemperatur von ca. 4000 K [1] im Fall von Ruß. Das Emissionsverhalten dieser "glühenden" Partikel unterscheidet sich gegenüber den nichtaufgeheizten so stark (intensivere Strahlung, blauverschobenes Emissionsmaximum, andere zeitliche Charakteristik), dass ein selektiver Nachweis mit Hilfe von empfindlichen Detektoren und Kameras möglich ist.

Theoretische Betrachtungen [2] und Messungen [3] haben gezeigt, dass das LII-Signal proportional zur Rußvolumenkonzentration ist. Das Verfahren kann damit ein zweidimensionales Abbild der Rußkonzentration in der betrachteten Flamme liefern [4].

Darüber hinaus können zeitaufgelöste Messungen durchgeführt werden, um Aussagen über die Partikelgröße zu treffen (time-resolved LII, TR-LII) [5]. Nach dem Aufheizen durch den Laserstrahl kühlen die Rußpartikel langsam wieder ab und ändern dabei ihre Emissionscharakteristik. Da sich größere Partikel langsamer abkühlen als kleinere, kann durch die Messung der Emission in Abhängigkeit von der Zeit nach der Anregung die Rußpartikelgrößenverteilung ermittelt werden.

Das in der Arbeitsgruppe entwickelte Simulationprogram LIISim (www.liisim.com) ist in der Lage, den Verlauf von LII-Signalen vorherzusagen und gemessene Signalverläufe zu evaluieren.

Literatur:

[1] B. F. Kock, T. Eckhardt, and P. Roth, "In-cylinder sizing of Diesel particles by time-resolved laser-induced incandescence (TR-LII)," Proc. Combust. Inst. 29, 2775-2781 (2002).
[2] M. Hofmann, W. G. Bessler, J. Gronki, C. Schulz, and H. Jander, "Investigations on laser-induced incandescence (LII) for soot diagnostics at high-pressure," in Laser Applications to chemical and environmental analsyis, OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington DC, 2002), p. FC1/1-FC1/3.
[3] M. Hofmann, W. G. Bessler, C. Schulz, and H. Jander, "Laser-induced incandescence (LII) for soot diagnostics at high pressure," Appl. Opt. 42, 2052-2062 (2003).
[4] C. Schulz, B. F. Kock, M. Hofmann, H. A. Michelsen, S. Will, B. Bougie, R. Suntz, and G. J. Smallwood, "Laser-induced incandescence: recent trends and current questions," Appl. Phys. B, DOI: 10.1007/s00340-006-2260-8 (2006).
[5] A. Eremin, E. V. Gurentsov, M. Hofmann, B. F. Kock, and C. Schulz, "Nanoparticle formation from supersaturated carbon vapor generated by laser photolysis of carbon suboxide," J. Phys. D., DOI: 10.1007/s00340-006-2199-9 (2006).
[6] B. F. Kock, C. Schulz, and P. Roth, "Time-resolved LII applied to soot particle sizing and concentration measurements in the cylinder of a Diesel engine," Combust. Flame, in press (2006).
[7] A. V. Filippov, M. W. Markus, and P. Roth, "In situ characterization of ultrafine particles by laser-induced incandescence: Sizing and particle structure determination," Journal of Aerosol Science 30, 71-87 (1999).
[8] B. F. Kock and P. Roth, "Two-color TR-LII applied to in-cylinder Diesel particle sizing," in Proc. of the European Combustion Meeting (Orléans, 2003).
[9] B. F. Kock, C. Kayan, J. Knipping, H. R. Orthner, and P. Roth, "Comparison of LII and TEM sizing during synthesis of iron particle chains," Proc. Combust. Inst. 30, 1689-1697 (2005).
[10] B. F. Kock, C. Kayan, J. Knipping, H. R. Orthner, and P. Roth, "Comparison of LII and TEM sizing during synthesis of iron particle chains," Proceedings of the Combustion Institute 30, 1689-1697 (2005).
[11] B. F. Kock, T. Eckhardt, and P. Roth, "In-cylinder sizing of Diesel particles by time-resolved laser-induced incandescence (TR-LII)," Proc. Combust. Inst. 29, 2775-2781 (2002).
[12] B. F. Kock, T. Eckhardt, and P. Roth, "In-cylinder sizing of diesel particles by time-resolved laser-induced incandescence (TR-LII)," Proceedings of the Combustion Institute 29, 2775-2782 (2002).
[13] R. Starke, B. Kock, and P. Roth, "Nano-particle sizing by laser-induced incandescence (LII) in a shock wave reactor," Shock Waves 12, 351-360 (2003).
[14] P. Roth and A. V. Filippov, "In situ ultrafine particle sizing by a combination of pulsed laser heatup and particle thermal emission," Journal of Aerosol Science 27, 95-104 (1996).