Multi-Parameter-Bestimmung in technischen Verbrennungssystemen mittels breitbandiger Hochgeschwindigkeits-Absorptionsspektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Will
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280430351

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Hauptziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines sensitiven, breitbandigen Hochgeschwindigkeits-Absorptionsspektroskopie-Messsystems und dessen Einsatz zur Multi-Parameter Detektion in Verbrennungssystemen. Dieses Ziel wurde vollumfänglich erreicht. Es wurde ein fasergekoppeltes und transportables Hochgeschwindigkeits-Nahinfrarot-Spektrometer mit einer spektralen Bandbreite von knapp 300 nm und einer Bildrate von bis zu 76 kHz entwickelt, aufgebaut und vollständig charakterisiert. Mit dem Messsystem ist somit eine Untersuchung von Verbrennungsprozessen in einem weiten Druck- und Temperaturbereich möglich, insbesondere konnte u.a. eine simultane Bestimmung der Verläufe von Temperatur und Stoffmengenanteilen von Wasser, Methan und Kohlenstoffdioxid in einer Einkolbenhubmaschine (Rapid Compression Expansion Machine, RCEM) realisiert werden. Voruntersuchungen an einer stationären Hochdruckkalibrierzelle und einer Hochtemperatur-Hochdruck-Strömungszelle lieferten wichtige Erkenntnisse in Bezug auf die Validität der verwendeten spektroskopischen Datenbanken HITEMP und HITRAN für die Messdatenauswertung. Weil diese Datenbanken ihren Ursprung u.a. in der Atmosphärenforschung haben, treten hier mit zunehmendem Druck für einzelne Gasspezies signifikante Messunsicherheiten auf. Darunter leidet – je nach Gasspezies – insbesondere die Messgenauigkeit der Stoffmengenanteile, deutlich weniger jedoch deren Präzision. In den RCEM-Versuchen konnten bei einer Detektionsrate von 40 kHz Temperatur- und die Stoffmengenanteilverläufe von H2O, CH4 und CO2 zeitlich aufgelöst werden. Die Temperatur-Messpräzision erreichte dabei Werte von unter 5 K und konnte damit nahezu um den Faktor 10 im Vergleich zu früheren RCEM-Verbrennungsversuchen verbessert werden. Vergleichbare Mehrspezies- Messungen auf Basis einer einzigen Laserlichtquelle und eines einzigen Spektrometers sind derzeit nicht bekannt. Ähnliche Messtechniken (z.B. Frequency Comb Spectroscopy) erreichten in einer RCM mittels CH4-Absorption bisher zwar eine ähnliche Messpräzision, allerdings bei einer etwa 28-fach schlechteren zeitlichen Auflösung. Darüber hinaus erwies sich die Single-Mode-Faserkopplung als Alleinstellungsmerkmal: im Gegensatz zur generell verwendeten Multi-Mode-Faserkopplung wird hier kein Modenrauschen induziert, außerdem erlaubt die Faseranbindung im Allgemeinen eine nahezu unabhängige Platzierung der Messtechnik zum Messobjekt. Eine Wegstreckenvervielfachung zur Verbesserung von Signal-Rausch-Verhältnis und Sensitivität konnte durch eine externe Herriott-Multipasszelle realisiert werden, welche sich in den RCEM-Verbrennungsversuchen als stabil gegenüber Strahlablenkungen durch die auftretenden starken Brechungsindexgradienten erwies. Weitere Untersuchungen in Bezug auf Hochdruck-Datenbankunsicherheiten für ausgewählte Gasspezies stellen nur ein mögliches zukünftiges Anwendungsgebiet dar. Beispielsweise kann die Untersuchung alternativer Kraftstoffe und Brennverfahren in der RCEM oder an Versuchsbrennern auf dem derzeitigen Messsystem direkt aufbauen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich allgemein bei der Untersuchung reaktiver Strömungen, bei denen eine simultane Hochgeschwindigkeitsmessung von Temperatur und Spezieskonzentrationen erforderlich ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of Different Spectroscopic Line Lists on the Multiparameter Determination by Supercontinuum Absorption Spectroscopy at IC Engine Relevant Conditions,“ 8th European Combustion Meeting (Dubrovnik, 18. - 21. April 2017)
  Fendt P., Werblinski T., Zigan L., Will S.
  
• „High-speed combustion diagnostics in a rapid compression machine by broadband supercontinuum absorption spectroscopy,“ Applied Optics 56 (2017), S. 4443-4453
  Werblinski T., Fendt P., Zigan L., Will S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/AO.56.004443)
• „Multiparameter correlation and uncertainty analysis for a high-speed near-infrared broadband absorption spectrometer,“ Sensors Day 2017 (Cambridge (UK), 20. Oktober 2017)
  Fendt P., Werblinski T., Kämmerle S., Zigan L., Will S.
  
• „Mid-Infrared Supercontinuum based Rotational-Vibrational Broadband Absorption Spectroscopy,“ 37th International Symposium on Combustion (Dublin, 29. Juli - 3. August 2018)
  Fendt P., Werblinski T., Zigan L., Will S.
  
• „Investigation of the chemical stability of the laser-induced fluorescence tracer 1-methylnaphthalene at IC engine relevant conditions by supercontinuum absorption spectroscopy,“ 9th European Combustion Meeting (ECM 2019) (Lissabon, 14. – 17. April 2019)
  Fendt P., Retzer U., Ulrich H., Zigan L., Will S.
  
• „Supercontinuum absorption spectroscopy: Theory, optical design and application for high-speed multiparameter diagnostics,“ International Conference on Advanced Optical Technologies (Erlangen, 13. - 15. März 2019)
  Fendt P., Zigan L., Will S.
  
• „Stability Analysis of the Fluorescent Tracer 1- Methylnaphthalene for IC Engine Applications by Supercontinuum Laser Absorption Spectroscopy,“ Sensors 20 (2020)
  Fendt P., Retzer U., Ulrich H., Will S., Zigan L.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.3390/s20102871)
• „Herriott cell enhanced SMF-coupled multi-scalar combustion diagnostics in a rapid compression expansion machine supercontinuum laser absorption spectroscopy,“ Optics Express (2021)
  Fendt P., Brandl M., Peter A., Zigan L., Will S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.442067)