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

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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 H₂O-Stoffmengenanteils in einer Flachflamme 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 Zielkonflikts 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 H₂O, CO₂ und C₂H₂ 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.