Multi-parameter determination in practical combustion systems by broadband high-speed absorption spectroscopy

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Anwendung eines neuartigen sensitiven Hochgeschwindigkeits-Absorptions-Messsystems zur umfassenden Charakterisierung von Verbrennungsprozessen. Das geplante Messsystem ermöglicht erstmals die simultane Highspeed-Detektion von Temperatur (über H2O-Absorptionslinien) und wichtiger Verbrennungsintermediate (H2O2, C2H2) sowie Hauptverbrennungsprodukte (H2O, CO2, CO) in einem weiten Temperatur- und Druckbereich. Zentrale Komponenten stellen dabei eine Superkontinuum-Lichtquelle sowie eine Hochgeschwindigkeits-Nah-Infrarot-Zeilenkamera dar. Die neuartige Lichtquelle überwindet die limitierte spektrale Bandbreite aktueller absorptionsspektroskopischer Ansätze für das Erreichen der geplanten Forschungsziele. Der Zeilendetektor ermöglicht Aufnahmeraten bis zu 10 kHz und wird als Sensor eines hochauflösenden, modular aufgebauten Spektrographen eingesetzt. Das Messsystem ermöglicht aufgrund der hohen spektralen Leistungsdichte der Superkontinuum-Lichtquelle zudem den Einbau einer optischen Kavität zur Wegstreckenverlängerung im Messvolumen und damit eine signifikante Steigerung der Sensitivität, ohne dabei die Detektionsgeschwindigkeit reduzieren zu müssen. In der ersten Projektphase wird das Messsystem aufgebaut und grundlegend charakterisiert. Hierbei stehen die Linearitätsüberprüfung des Zeilendetektors sowie die Bestimmung des Auflösungsvermögens und damit der Instrumentenfunktion des Spektrographen im Fokus. Weiterhin wird der Einfluss zusätzlicher teilreflektierender Flächen innerhalb der Kavität auf die effektive Wegstreckenverlängerung quantifiziert. Im Anschluss wird mit Hilfe von Kalibriermessungen eine Auswerteroutine entwickelt und das Messsystem an einem 1D-Flachbrenner angewendet. Schließlich wird eine Multi-Parameter-Bestimmung unter den realistischen motorischen Randbedingungen einer Rapid Compression Machine (RCM, Einhubtriebwerk) realisiert. In der RCM werden die zweistufigen Verbrennungscharakteristika unterschiedlicher Ersatzkraftstoffe bei variiertem Restgasgehalt und Verdichtungsverhältnis untersucht. Die Temperaturentwicklung vor und innerhalb des Zündprozesses sowie die Vorentflammungsdauer und die maximal auftretenden Temperaturspitzen stellen hierbei entscheidender Parameter für die Weiterentwicklung von modernen Brennverfahren wie der Niedertemperaturverbrennung (Low Temperature Combustion, LTC) dar. Nach erfolgreicher grundlegender Anwendung erfolgt in einer zweiten Projektphase die Applikation des entwickelten Messsystems an einen optisch zugänglichen Forschungsmotor. Zusätzlich steht der Aufbau eines tomographischen Sensors zur zyklusaufgelösten 2D-Temperaturerfassung im Brennraum im Fokus.