Nichtlineare optische Spektroskopie zur Diagnostik von Verbrennungsvorgängen

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung nichtlinearer optischer Spektroskopieverfahren im Bereich der Verbrennungstechnik. Dabei werden drei spezielle Messtechniken behandelt, nämlich die kohärente anti-Stokes Raman-Streuung (CARS), die laser-induzierte Gitter-Technik (LIG) und die Laser-Polarisations-Spektroskopie (PS). Die CARS-Spektroskopie in Form des Dual-Broadband-Rotations-CARS-Verfahrens wurde erstmalig mit der linearen Raman-Spektroskopie kombiniert. Dies ermöglichte die simultane Bestimmung der Gasphasentemperatur und der Konzentrationen aller Hauptspezies. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die Brennstoffpyrolyse in einer teilvorgemischten Ethen-Luft-Flamme, sowie die Gemischbildung bei der Einspritzung von Flüssigpropan zu untersuchen. Dabei konnte erstmals die Verdampfungskühlung in einem Flüssiggasspray mit hoher Tropfendichte bestimmt werden. Die LIG-Technik wurde eingesetzt, um den Gemischbildungsprozess bei der Einblasung von Propangas in Luft zu untersuchen. Dabei wurde lokal der zeitliche Verlauf der Luftzahl bestimmt. Für die Auswertung der LIG-Signalverläufe wurden verschiedene Methoden entwickelt, die eine aufwendige Berechnung theoretischer Signalverläufe überflüssig machen. Dazu wurden Signalparameter wie die Oszillationsperiodendauer, die absolute Signalintensität und das Verhältnis von elektrostriktiven und thermischen Signalbeiträgen genutzt. Die entwickelten Auswerteverfahren ermöglichten erstmalig die Nutzung der LIG-Technik im Einzelpulsbetrieb in einem weiten Parameterbereich. Die PS-Technik wurde zur Detektion von CH im ultravioletten und C2H2 im infraroten Spektralbereich weiterentwickelt. Dabei wurden molekularphysikalische Effekte wie Linienverbreiterung, Sättigung und Quenching näher untersucht. Im Fall von CH wurde die Dopplerverbreiterung unterdrückt und durch Nutzung eines Einmoden-Alexandritlasers hochaufgelöste Spektroskopie betrieben. Zusätzlich wurden simultane Messungen mit laser-induzierter Fluoreszenz durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Am Beispiel des OH-Radikals wurde schließlich noch die Anwendbarkeit der PS-Technik zur Bestimmung der OH-Verteilung und der Temperatur in einer teilvorgemischten Methan/Luft-Flamme demonstriert. Die Ergebnisse zeigten die typische Struktur zweier Flammenfronten, wobei sich die OH-Temperatur nur wenig ändert, die OH-Konzentration in der stöchiometrischen Zone ein intensives absolutes Maximum besitzt und in der inneren Reaktionszone nur in geringem Maße vorhanden ist.