Raman-Spektroskopie: Spektrale Charakterisierung

Experimentelle Untersuchung der Gasspezies-Konzentrationen und Temperaturen in reagierenden Strömungen erneuerbarer Brennstoffe mittels Raman-Spektroskopie

Hintergrund:
Vor dem Hintergrund zukünftiger CO₂-reduzierter Mobilität und knapper werdenden fossilen Brennstoffen sind regenerative Brennstoffe biogener Natur, wie z.B. Ethanol, eine vielversprechende Alternative. Bereits heute ist der Kraftstoff E10 (10 % Ethanol, 90 % konventionelles Benzin) in Deutschland flächendeckend verfügbar. In anderen Ländern wie Brasilien, USA und Schweden werden sogar bis zu 85% des Kraftstoffes (E85) mit regenerativ gewonnenem Ethanol substituiert.

Aus verbrennungstechnischer Sicht ist der Kraftstoff Ethanol jedoch wesentlich komplexer als die konventionellen Kraftstoffe wie Diesel, Benzin oder Erdgas. Die bei der Verbrennung von Ethanol entstehenden Zwischenprodukte haben einen Einfluss auf die Chemie-Turbulenz-Interaktion und die entstehenden Schadstoffemissionen der Verbrennung. Um das grundlegende Verständnis der Verbrennung regenerativer Kraftstoffe erhöhen zu können und damit die motorische Verbrennung effizienter und schadstoffärmer machen zu können, bedarf es geeigneter Sensorik.

Eine hierfür geeignete, laserbasierte Messtechnik ist die sogenannte Raman-Spektroskopie. Diese ist in der Lage, Spezies-Konzentrationen und Temperaturen zeitlich und räumlich aufgelöst zu messen. Da es sich um eine optische Messmethode handelt, ist dieses Messverfahren zudem berührungslos, d.h. ohne den Verbrennungsprozess bzw. das Strömungsfeld der Flamme bei der Messung zu beeinflussen. Damit wird auch die Validierung numerischer Simulationen ermöglicht, die den untersuchten und zukünftige Verbrennungsprozesse berechnen können.

Ziel:
Da bei Ethanol im Vergleich zu Methan zusätzliche Intermediäre (Ethanol, Methan, Ethylen, Acetaldehyd, Formaldehyd) in relevanten Konzentrationen in der Reaktionszone auftreten, müssen diese zur Bestimmung des thermochemischen Zustands quantitativ gemessen werden. Für die Auswertung der Messung in einer generischen Flamme, bei der man alle auftretenden Spezies gleichzeitig und zum Teil spektral überlagert detektiert, ist die Kenntnis der Raman-Antwort einer jeden Spezies essentiell. Da die Raman-Antwort der Spezies temperaturabhängig ist und quantenmechanisch nicht simuliert werden kann, müssen diese experimentell bestimmt werden. Gleichzeitig müssen neue Wege gefunden werden, die zu untersuchenden Gase für den jeweiligen Versuch bereit- oder herzustellen. Die damit untersuchten Raman-Spektren werden zum Teil weltweit erstmals bei den entsprechenden Temperaturen untersucht und ermöglichen damit die Untersuchung von Verbrennungsvorgängen der Zukunft.

Prüfstand/Strömungskonfiguration:

• CW-Raman-Spektrometer, um Raman-Spektren von stationären, hintergrundarmen Gasströmungen spektroskopisch bis zu hohen Temperaturen zu detektieren und zu untersuchen
• Rapid-Mixing Gaserhitzer, um den thermischen Zerfall der zu untersuchenden Kohlenwasserstoffe bei hohen Temperaturen zu vermeiden

Verantwortlich: Kevin Dieter