Entwicklung bildgebender Messtechniken zur Temperatur- und Speziesbestimmung in Verbrennungsvorgängen

Ziel ist die Weiterentwicklung moderner Lasermesstechniken zur Untersuchung von Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgängen. Schwerpunkte sind die Weiterentwicklung der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) basierend auf Tracern und die laserinduzierte Phosphoreszenz (LIP) basierend auf speziellen Phosphorpartikeln zur Charakterisierung der Gemischbildung und für den Einsatz in der Thermometrie. Zur Weiterentwicklung dieser optischen Messtechniken kommen spezielle Kalibieraufbauten zum Einsatz, um die Messgenauigkeit und Präzision speziell für Hochtemperatur-Hochdruckanwendungen wie Verbrennungsmotoren oder technische Verbrennungssysteme zu verbessern. Bei der laserinduzierten Fluoreszenz wird z. B. aktuell ein Tracer (z.B. Aceton) zur Ansaugluft eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung hinzugegeben, um gleichzeitig die Restgaskonzentration und die Temperaturverteilung zweidimensional erfassen zu können. Der Fluoreszenz-Marker wird durch zwei Laser unterschiedlicher Wellenlänge angeregt (“2-Anregungswellenlängen-LIF”), um die lokale Gemischtemperaturund die Frischluftkonzentration zu bestimmen. Der Tracer 3-Pentanon hingegen wird dem fluoreszenzfreien Ottokraftstoff zugegeben, um in ähnlicher Weise Mischungstemperatur und Dampfkonzentration im Brennraum zu bestimmen. Für dieselmotorische Anwendungen kommen Tracer wie 1-Methylnaphthalin zum Einsatz, welche dem fluoreszenzfreien Dieselkraftstoff zugegeben werden.Zur nicht-invasiven Thermometrie auf Basis von thermographischen Phosphoren wird nur eine Laserwellenlänge (355 nm) benötigt für die Phosphoreszenzanregung. Momentan kommen hierzu Dy:YAGPhosphore (mit Dysprosium dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) zur Anwendung, da dieser Kristall aufgrund seiner thermischen Stabilität insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. Das Phosphoreszenz-Emissionsspektrum ist temperaturabhängig und kann daher für eine Temperaturkalibrierung eingesetzt werden. Für die 2D-Gastemperaturbestimmung wird das Phosphorpulver der Strömung hinzugegeben, ähnlich wie bei der Particle Image Velocimetry (PIV). Aus den beiden simultan aufgenommenen Bildern zweier Kameras mit unterschiedlichen spektralen Detektionsbereichen kann ein Intensitätsverhältnis berechnet werden, das für die Thermometrie eingesetzt werden kann. Die Messtechnik kann auch zur Bestimmung der Oberflächentemperatur genutzt werden, indem die Leuchtstoffe mit einem Bindematerial auf der zu untersuchenden Oberfläche aufgebracht werden.