Teilprojekt A05 Ebert/Wagner

Teilprojekt A05 Ebert/Wagner

Bestimmung thermochemischer Parameter in Gasphasengrenzschichten und Flüssigphasenfilmen mittels Laser-Absorptions-Spektroskopie

Motivation

Für die langfristig erforderliche Optimierung motorischer Verbrennungsprozesse hinsichtlich Verbrauchsminimierung und Schadstoffvermeidung spielen wandnahe, physikalisch-chemische Prozesse im Brennraum bzw. im Abgasreinigungssystem eine entscheidende Rolle. Die Wechselwirkung der Wände mit dem eingespritzten Kraftstoff bzw. Abgasreinigungsadditiv und den Verbrennungsgasen ist eng mit den in diesen Prozessen derzeit nur unvollständig verstandenen Stoff- und Wärmetransportmechanismen verknüpft. Die Entwicklung neuer Modelle erfordern möglichst detaillierte experimentelle Studien in generischen, strömungsdynamisch und thermochemisch definierten Umgebungen. Im Kontext dieses SFB/Transregio betrifft dies sowohl die Kopplung zwischen Wand und Kraftstofffilm im Zylinderinneren als auch Austauschprozesse zwischen Additivfilm und Abgas bei wandnahen Abgaskonversionsprozessen.

Ziele

Dieses Teilprojekt hat zum Ziel, mittels innovativer Messmethoden auf Basis der Laserabsorptionsspektroskopie relevante physikalisch-chemische Vorgänge bei der Wechselwirkung zwischen Gasphase und Wandfilm zu untersuchen. Die Stoffsysteme und thermodynamischen Randbedingungen orientieren sich:

• der Untersuchungen der Interaktion einer heißen Gasströmung mit einem Flüssigkeitswandfilm unter Bedingungen wie sie bei der Brennstoffinjektion in den Zylinder bzw. der Harnstoffeinspritzung während der SCR-Abgasnachbehandlung auftreten.

• der Untersuchung der Flamme-Wand-Interaktion und hier insbesondere dem Effekt des Sidewall Quenchings (SWQ).

Die hier erarbeiteten räumlich und zeitlich hochauflösenden Messmethoden werden perspektivisch für die Diagnostik wandnaher innermotorischer Strömungs- und Verbrennungsprozesse in komplexeren Geometrien weiterentwickelt.

Methoden

Diagnostik

Zur Untersuchungen der o.g. Fragestellungen werden in diesem Teilprojekt laseroptische Messmethoden auf Basis der Absorptionsspektroskopie untersucht, weiterentwickelt und eingesetzt. Zu Beginn des Projektes wird insbesondere die direkte Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (dTDLAS) zur Messung von Absolutkonzentrationen und Temperaturen dienen. Im Fortgang des Projektes wird diese Methodik auf die Filmdickenmessung ausgedehnt und als Basis für die Entwicklung einer neuen Multi-Parameter-Diagnostik unter Nutzung von Weißlichtlasern (SCLAS) genutzt.

Im Gegensatz zu den anderen im SFB/Transregio eingesetzten Messmethoden ist die Laserabsorptionsspektroskopie geeignet, um kalibrationsfrei absolute Spezieskonzentrationen zu messen (andere Methoden wie z.B. Raman Streuung oder LIF benötigen eine aufwändige Kaibrationsroutine). In Kombination mit einer Vielzahl von chemischen Spezies, die mittels Raman oder LIF nicht erfassbar sind, stellt dies einen einzigartigen Vorteil dieser Methode dar.

Besonders im nahen und kurzwelligen mittleren Infrarot (NIR; MWIR) soll die TDLAS auf die spezifischen Bedingungen der motorischen Verbrennung bzw. der Abgasreinigung erweitert werden. Ziel ist dabei der Erhalt der Kombination von Selektivität und Sensitivität bei hoher Robustheit. Die TDLAS soll insbesondere für die raum-zeitlich aufgelöste Erfassung verschiedener kleiner Moleküle wie bspw. H2O, CO2, CO, OH, NH3 sowie für die optische Bestimmung der Gastemperatur mittels sog. Zweilinienthermometrie eingesetzt werden. Hierfür werden neue, erst seit kurzem verfügbare Raumtemperatur-Diodenlaser im mittelinfraroten Spektralbereich (2 bis 3,5 µm) eingesetzt, die deutlich höhere Linienstärken erschließen, was wesentlich höhere Empfindlichkeiten ermöglicht. Der Spektralbereich ist auch vorteilhaft, da er einzigartig strukturierte Spektren (Fingerprint-Region) bei hohen Übergangsmomenten aufweist und somit sehr selektive Nachweisverfahren ermöglicht. Beides verbessert die Sensitivität und Selektivität, was besonders für die geplanten, sehr kompakten Strömungskanäle und Flammengeometrien (kurze Absorptionswege) notwendig ist.

Abbildung 1: Gemessene SCLAS-Spektren zur Bestimmung der Methan-Konzentration (blau). Zum Vergleich ist das simulierte Spektrum für die experimentellen Randbedingungen (rot) dargestellt. Die breitbandige Erfassung der Spektren ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Informationsdichte und damit einer robustere Auswertung der Messdaten.
Abbildung 1: Gemessene SCLAS-Spektren zur Bestimmung der Methan-Konzentration (blau). Zum Vergleich ist das simulierte Spektrum für die experimentellen Randbedingungen (rot) dargestellt. Die breitbandige Erfassung der Spektren ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Informationsdichte und damit einer robustere Auswertung der Messdaten.