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Einsatz der Superkontinuum-Absorptionsspektroskopie zur Multiparameter-Bestimmung in der Verbrennungstechnik

Von:

Thomas Werblinski

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Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Superkontinuum (SC)-basierten Absorptionsspektrometers für die simultane Bestimmung der thermodynamischen Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Stoffmengenanteil unter Labor- und unter motorischen Verbrennungsbedingungen. Als Lichtquelle wird ein komerzielles SC-System eingesetzt. Basierend auf dem Detektionskonzept im Zeitbereich wird die Eignung der SC-Absorptionsspektroskopie zur simultanen Bestimmung der Temperatur und des HO-Stoffmengenanteils in einer Flachamme demonstriert. Die starken Fluktuationen der spektralen Energieverteilung in den SC-Einzelpulsen des kommerziellen SC-Systems verhindern das Erreichen von schnellen Messraten, und die limitierte Speichertiefe des Oszilloskops das Erreichen von motorisch relevanten Gesamtmesszeiten. Aufgrund dieses Zielkonikts wird ein neues Hochgeschwindigkeitsspektrometer vorgestellt. Die SC-Lichtquelle fungiert hier als quasi-cw-Lichtquelle und eine Hochgeschwindigkeits-Zeilenkamera wird als Detektor eines Czerny-Turner-Spektrographen eingesetzt. Dieses Messsystem erlaubt die Integration eines optischen Resonators zur Verlängerung der effektiven Absorptionsstrecke. In einer Machbarkeitsstudie werden in einen resonatorverstärkten Messaufbau simultan die verbrennungstechnisch wichtigen Spezies HO, CO und CH mit Messraten von bis zu 50 kHz detektiert und deren Nachweisgrenzen bestimmt. An einer Rapid Compression Machine wird das SC-Spektrometer bei reiner Kompression für die Multiparameter-Detektion unter motorischen Randbedingungen verifiziert. Die Ergebnisse bei gefeuertem RCM Betrieb (p bis 85 bar und T bis 2000 K) belegen die Eignung des neu entwickelten SC-Spektrometers zur Charakterisierung motorischer Verbrennungsprozesse mit einer effektiven Messrate von 10 kHz.