DE19827533C2 - Method for determining the vapor phase composition and the temperature by means of linear Raman scattering in the presence of phase interfaces, in particular droplets, in particular in the case of engine injection processes - Google Patents
Method for determining the vapor phase composition and the temperature by means of linear Raman scattering in the presence of phase interfaces, in particular droplets, in particular in the case of engine injection processesInfo
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Description
Zur Diagnostik von Einspritz-, Strömungs-, Gemischbildungs- und Verbrennungs prozessen gewinnen laserbasierte optische Meßtechniken eine immer größere Bedeutung. Mit ihnen ist es möglich, nahezu rückwirkungsfrei mit sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung z. B. die Verteilung der flüssigen Phase oder ein Temperaturfeld zu bestimmen. Als Meßverfahren zur quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung der Dampfphase wird häufig die lineare Raman-Spektroskopie angewandt. Die Technik erlaubt einen getrennten und simultanen Nachweis unterschiedlicher chemischer Spezies im Meßvolumen lind eine Bestimmung der Temperatur mittels verschiedenster Nachweisstrategien (siehe z. B. A. C. Eckbreth, P. A. Bonczyk, J. F Verdieck, in Prog. Energy Combust. Sci., 5, 1979, S. 253-322, oder A. Leipertz, in Technisches Messen - tm, 50, 1983, S. 21-25 und 55-60). Aufgrund der geringen Signalintensität treten häufig Querbeeinflussungen auf, die einen quantitativen Nachweis erschweren bzw verhindern. So wurde die Raman- Streuung häufig zur Untersuchung einphasiger Strömungen, wie z. B. Wasserstoff/Luft-Flammen angewandt (z. B. S. P. Nandula, T. M. Brown, R. W. Pitz, P. A. DeBarber, in Opt. Lett., 19, 1994, S. 414-416), jedoch schon bei der Anwendung in Kohlenwasserstoff-Diffusionsflammen treten Signalinterferenzen, z. B. durch laserinduzierte Fluoreszenz auf, die z. T. die Raman-Signale vollständig überlagern und so einen Nachweis, sowohl qualitativ als auch quantitativ unmöglich machen (z. B. A. R. Masri, R. W. Bilger, R. W. Dibble, in Combust. Flame, 68, 1987, S. 109-119, oder E. P. Hassel, Appl. Opt., 32, 1993, S. 4058-4065). Nach dem bisherigen Stand der Technik ist eine Anwendung der Raman-Technik in heterogenen Systemen, wie sie z. B. Kohlenwasserstoff-Sprayflammen darstellen, mit sehr großen Unsicherheiten verbunden, da hier neben der laserinduzierten Fluoreszenz als weitere Störquellen die elastische Streuung an Phasengrenzflächen (Mie-Streuung), Rußeigenleuchten und laserinduzierte Inkandeszenz von Rußpartikeln (LII) auftreten können.Laser-based optical measurement techniques are becoming increasingly important for the diagnosis of injection, flow, mixture formation and combustion processes. With them, it is possible to have almost no interference with very high temporal and spatial resolution. B. to determine the distribution of the liquid phase or a temperature field. Linear Raman spectroscopy is often used as a measuring method for the quantitative determination of the composition of the vapor phase. The technique allows a separate and simultaneous detection of different chemical species in the measurement volume and a determination of the temperature by means of various detection strategies (see e.g. BAC Eckbreth, PA Bonczyk, J. F Verdieck, in Prog. Energy Combust. Sci., 5 , 1979, p . 253-322, or A. Leipertz, in Technisches Messen - tm, 50 , 1983, pp. 21-25 and 55-60). Due to the low signal intensity, cross-effects often occur, which make quantitative detection more difficult or prevent it. Raman scattering was often used to investigate single-phase flows, such as B. hydrogen / air flames applied (z. BSP Nandula, TM Brown, RW Pitz, PA DeBarber, in Opt. Lett., 19 , 1994, pp. 414-416), but occur already when used in hydrocarbon diffusion flames Signal interference, e.g. B. by laser-induced fluorescence, which, for. T. completely overlay the Raman signals and thus make detection, both qualitatively and quantitatively impossible (e.g. BAR Masri, RW Bilger, RW Dibble, in Combust. Flame, 68 , 1987, pp. 109-119, or EP Hassel , Appl. Opt., 32 , 1993, pp. 4058-4065). According to the current state of the art, Raman technology is used in heterogeneous systems, such as those described in e.g. B. represent hydrocarbon spray flames, associated with very great uncertainties, since in addition to the laser-induced fluorescence as further sources of interference, the elastic scattering at phase interfaces (Mie scattering), soot internal lights and laser-induced incandescence of soot particles (LII) can occur.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, womit auch in heterogenen Systemen, z. B. Einspritz- und Verbrennungssystemen, eine störungsfreie Temperatur- und/oder Konzentrationsmessung mittels linearer Raman-Streuung möglich ist.The object of the invention is to provide a method, which also in heterogeneous systems, e.g. B. injection and combustion systems, a trouble-free Temperature and / or concentration measurement using linear Raman scattering is possible.
Die Aufgabe der Erfindung, in Gegenwart von Phasengrenzflächen, insbesondere von Tröpfchen, wie sie oftmals im technischen, heterogenen Verbrennungsprozessen und z. B. auch bei modernen motorischen Einspritzprozessen vorkommen, die Dampfphasenzusammensetzung und die Temperatur mittels linearer Raman-Streuung zu bestimmen, wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object of the invention, in the presence of phase interfaces, in particular Droplets such as those often found in technical, heterogeneous combustion processes and e.g. B. also occur in modern engine injection processes Vapor phase composition and temperature using linear Raman scattering to determine, is solved by the features specified in claim 1. Advantageous refinements are specified in the subclaims.
Durch spezielle Ausgestaltungen der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 2 und 3 formuliert sind, kann neben dem störungsfreien Nachweis von Raman-Signalen auch noch eine zusätzliche Charakterisierung der Dampfphase stattfinden. Dabei werden die detektierten Spektren anhand charakteristischer Merkmale in unterschiedliche Klassen eingeteilt, womit eine Aussage z. B. über den Stand im Reaktionsablauf zum Meßzeitpunkt am Meßort bei Einspritzprozessen stattfinden kann. Es wird in diesem Beispiel unterschieden zwischen dem Auftreten von Tröpfchen, dem Verdampfungs- und Mischungsprozeß, einsetzenden Vorreaktionen, Hauptreaktion und dem Ende der Verbrennungsreaktion.By special embodiments of the invention, as in the claims 2 and 3 are formulated, in addition to the interference-free detection of Raman signals there is also an additional characterization of the vapor phase. there the detected spectra are shown in different classes divided, with which a statement z. B. about the status in Reaction sequence at the time of measurement at the injection process can. In this example, a distinction is made between the occurrence of Droplets, the evaporation and mixing process, pre-reactions starting, Main reaction and the end of the combustion reaction.
Die Wahl der Anregungswellenlänge wird in heterogenen Systemen durch eine Reihe
von Faktoren beeinflußt, die z. T. zu gegensätzlichen Anforderungen führen. So
scheint zunächst eine möglichst kurze Wellenlänge vorteilhaft, da die Intensität des
Raman-Signals direkt proportional zur vierten Potenz der Signalfrequenz ist:
The choice of the excitation wavelength is influenced in heterogeneous systems by a number of factors, e.g. T. lead to conflicting requirements. For example, the shortest possible wavelength seems advantageous, since the intensity of the Raman signal is directly proportional to the fourth power of the signal frequency:
Der Entartungsfaktor g'', auch statistisches Gewicht genannt, ist abhängig vom nuklearen Kernspin der beteiligten Atome. Die Größe N"ν,J steht für die Teilchenzahl der entsprechenden Komponente im Ausgangsenergieniveau, das durch die Quantenzahlen ν und J charakterisiert wird. I0 bezeichnet die Intensität des anregenden Lasers, und die Funktion Φ(α2, γ2, Θ) enthält die Abhängigkeit der linearen Raman-Streuung von der Beobachtungsgeometrie und von molekülspezifischen Eigenschaften wie der Isotropie und der Anisotropie des abgeleiteten Polarisierbarkeitstensors. Obige Gleichung gilt für eine Anregung mit einer linear polarisierten Lichtquelle und einer Detektion unter dem Beobachtungswinkel Θ = π/2, einer für die Anwendung typischen Konfiguration. Nähere Informationen zur Theorie der linearen Raman-Streuung lassen sich der Literatur entnehmen (z. B. D. A. Long, Raman Spectroscopy, McGraw-Hill, New York, 1977, S. 41-73). Als Konsequenz aus der starken Abhängigkeit der Signalstärke von der Anregungsfrequenz werden für Raman-Messungen sehr häufig leistungsstarke UV-Laser eingesetzt. Insbesondere seitdem Excimer-Laser kommerziell verfügbar sind, haben sie sich als Standard-Anregungsquelle im tiefen UV-Bereich zur Durchführung von Raman-Untersuchungen in homogenen Systemen, wie z. B. Wasserstoff/Luft-Flammen durchgesetzt oder sind im Homogenbetrieb von Verbrennungsmotoren eingesetzt (z. B. DE 43 20 943 A1). Bei der Anwendung in Kohlenwasserstoff-Flammen und noch stärker in heterogenen Systemen weisen diese Strahlquellen jedoch entscheidende Nachteile auf, die einen erfolgreichen Einsatz in solchen Systemen bis heute verhinderten. Als Problem bei der Nutzung von Excimer- Lasern, deren emittierte Strahlung eine Wellenlänge von 193 nm, 248 nm oder 308 nm aufweist, zeigt es sich, daß mit diesen Wellenlängen gleichzeitig Molekülfluoreszenzen, hauptsächlich von OH und O2 angeregt werden (siehe z. B. E. P. Hassel, in Appl. Opt., 32, 1993, S. 4058-4065). Die von diesen Molekülen emittierten schmalbandigen Signale führen zu Interferenzen mit den beobachteten Raman-Signalen und können so eine Auswertung verhindern oder zumindest stark erschweren, wobei dann zur Trennung von Raman- und Fluoreszenzintensitäten oftmals eine polarisationsaufgelöste Detektion eingesetzt wird (siehe z. B. A. Leipertz, Habilitationsschrift, Ruhr-Universität Bochum 1984, S. 190-195 und US 3 807 862, US 4 080 073 und DE 43 20 943 A1). Die Erfindung basiert auf der Idee, solche Störeinflüsse dadurch zu vermeiden, daß die Anregung bei einer Wellenlänge vorgenommen wird, bei der diese Moleküle nicht absorbieren und somit auch licht fluoreszieren. Für die genannten Moleküle bedeutet das, daß die Anregungswellenlänge so gewählt werden muß, daß die mit ihr verbundene Photonenenergie nicht mit einer Energiedifferenz eines möglichen elektronischen Überganges der beteiligten Moleküle übereinstimmt, um eine Fluoreszenzanregung zu vermeiden. Bei der Wahl langwelliger Anregungsquellen kann außerdem der Einfluß breitbandiger Strahlung von PAHs (Polyzyklische aromatischen Kohlenwasserstoffe) reduziert werden gegenüber der Verwendung von Excimer- Lasern, weil die Anregungsquerschnitte der PAHs bei zunehmender Wellenlänge deutlich geringer sind (A. Ciajolo, A. D'Anna, R. Barbella, A. Tregrossi, 25th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1994, S. 679-685). Allerdings besteht auch eine Obergrenze für eine mögliche Anregungswellenlänge. Dies ist zum einen bedingt durch die schon erwähnte starke Abhängigkeit der Signalintensität von der Wellenlänge, und zum anderen ist in heterogenen Systemen auch der Einfluß des laserinduzierten Rußglühens (LII) zu beachten. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, daß LII-Emissionen unabhängig von der Anregungswellenlänge besonders stark im Spektralbereich über 500 nm auftreten. Dies bedeutet, daß zur Raman-Spektroskopie unter Anwesenheit von LII eine Wellenlänge gewählt werden muß, die Signale bei Wellenlängen erzeugt, die deutlich unterhalb von 500 nm liegen. Bei der Vibrations-Raman-Spektroskopie treten Raman-Verschiebungen auf, die maximal 4200 cm-1 (H2) betragen, und deshalb muß die Anregungswellenlänge kleiner als 400 nm gewählt werden, um sicherzustellen, daß alle Raman-Signale deutlich unterhalb von 500 nm detektiert werden können. Die gewünschte Vermeidung oder Verringerung von Störeinflüssen durch laserinduzierte Fluoreszenz von OH, O2 und PAH, sowie von LII kann also erreicht werden, wenn die Anregungswellenlänge im Bereich zwischen 308 nm und 400 nm gewählt wird.The degeneracy factor g '', also called statistical weight, depends on the nuclear nuclear spin of the atoms involved. The quantity N " ν, J stands for the particle number of the corresponding component in the output energy level, which is characterized by the quantum numbers ν and J. I 0 denotes the intensity of the exciting laser and contains the function Φ (α 2 , γ 2 , Θ) the dependence of the linear Raman scattering on the observation geometry and on molecule-specific properties such as the isotropy and the anisotropy of the derived polarizability tensor.The above equation applies to excitation with a linearly polarized light source and detection under the observation angle Θ = π / 2, one for the Typical configuration application Further information on the theory of linear Raman scattering can be found in the literature (eg BDA Long, Raman Spectroscopy, McGraw-Hill, New York, 1977, pp. 41-73) as a consequence of the strong dependence of Powerful UV lasers are very often used for signal strength from the excitation frequency for Raman measurements Especially since excimer lasers have been commercially available, they have become the standard excitation source in the deep UV range for carrying out Raman investigations in homogeneous systems, such as, for. B. hydrogen / air flames or are used in homogeneous operation of internal combustion engines (z. B. DE 43 20 943 A1). However, when used in hydrocarbon flames and even more so in heterogeneous systems, these beam sources have decisive disadvantages which have hitherto prevented successful use in such systems. A problem with the use of excimer lasers whose emitted radiation has a wavelength of 193 nm, 248 nm or 308 nm, it turns out that these wavelengths simultaneously excite molecular fluorescence, mainly of OH and O 2 (see, for example, BEP Hassel, in Appl. Opt., 32 , 1993, pp. 4058-4065). The narrow-band signals emitted by these molecules lead to interference with the observed Raman signals and can thus prevent or at least make it difficult to evaluate, in which case polarization-resolved detection is often used to separate Raman and fluorescence intensities (see e.g. Leipertz BA, habilitation thesis , Ruhr University Bochum 1984, pp. 190-195 and US 3 807 862, US 4 080 073 and DE 43 20 943 A1). The invention is based on the idea of avoiding such interferences in that the excitation is carried out at a wavelength at which these molecules do not absorb and thus also fluoresce light. For the molecules mentioned, this means that the excitation wavelength must be chosen so that the photon energy associated with it does not match an energy difference of a possible electronic transition of the molecules involved in order to avoid fluorescence excitation. When choosing long-wave excitation sources, the influence of broadband radiation from PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons) can also be reduced compared to the use of excimer lasers, because the excitation cross-sections of the PAHs are significantly smaller with increasing wavelength (A. Ciajolo, A. D'Anna, R. Barbella, A. Tregrossi, 25 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1994, pp 679-685). However, there is also an upper limit for a possible excitation wavelength. This is due on the one hand to the already mentioned strong dependence of the signal intensity on the wavelength, and on the other hand in heterogeneous systems the influence of laser-induced soot annealing (LII) has to be considered. Previous studies have shown that LII emissions occur particularly strongly in the spectral range above 500 nm, regardless of the excitation wavelength. This means that a wavelength must be selected for Raman spectroscopy in the presence of LII, which generates signals at wavelengths that are clearly below 500 nm. Vibratory Raman spectroscopy shows Raman shifts that are a maximum of 4200 cm -1 (H 2 ), and therefore the excitation wavelength must be chosen less than 400 nm to ensure that all Raman signals are well below 500 nm can be detected. The desired avoidance or reduction of interferences by laser-induced fluorescence of OH, O 2 and PAH, and of LII can therefore be achieved if the excitation wavelength is selected in the range between 308 nm and 400 nm.
Selbst bei optimaler Wahl der Anregungswellenlänge lassen sich jedoch Hintergrundsignale nicht vollständig vermeiden. Aus diesem Grund wurde als weitere Maßnahme im Rahmen der Erfindung eine Signalerfassung vorgesehen, die eine eindeutige Unterscheidung zwischen den Raman-Emissionen und den Hintergrundsignalen ermöglicht. Dies wird erreicht durch eine Zerlegung des optischen Signals in zwei zueinander senkrechte Polarisationskomponenten und eine getrennte und simultane Erfassung beider Komponenten. Durch diese Vorgehensweise lassen sich unpolarisierte Hintergrundsignale, wie sie PAH-LIF und LII darstellen, eindeutig von den stark polarisierten Raman-Signalen durch Differenzbildung abtrennen.Even with an optimal choice of excitation wavelength, however, Do not completely avoid background signals. For this reason, was considered another Measure provided within the scope of the invention a signal detection, the one clear distinction between the Raman emissions and the Background signals enabled. This is achieved by disassembling the optical signal in two mutually perpendicular polarization components and one separate and simultaneous recording of both components. Through this Procedure can be unpolarized background signals, such as PAH-LIF and LII represent clearly from the highly polarized Raman signals Separate difference formation.
Die nachfolgend beschriebenen Abbildungen zeigen eine mögliche Ausführung der Erfindung und beispielhaft eine Anwendung zur Charakterisierung der Dampfphase in einem verdampfendem Kraftstoff-Spray.The illustrations described below show a possible version of the Invention and exemplary an application for characterizing the vapor phase in an evaporating fuel spray.
Fig. 1 beschreibt eine mögliche Untersuchungsanordnung. Das Licht einer Lichtquelle (1) wird mittels einer Einstrahloptik (2), die aus einem oder mehreren Elementen bestehen kann, in das Meßvolumen (3) gelenkt. Die Einstrahloptik kann optional auch einen Pulsstrecker enthalten, da die für die Raman-Spektroskopie erforderlichen hohen Pulsenergien zu laserinduzierten Gasdurchbrüchen im Meßvolumen führen können, speziell bei Laserpulsdauern im ns-Bereich. Um nun bei hoher eingebrachter Pulsenergie solche Effekte zu vermeiden, kann im Anregungsstrahlengang der Pulsstrecker eingebracht werden, wodurch die Laserpulse durch ein Durchlaufen einer oder mehrerer Verzögerungsschleifen zeitlich gestreckt werden. Dadurch wird erreicht, daß bei gleicher Pulsspitzenleistung eine höhere Pulsenergie in das Meßvolumen eingebracht werden kann. Die erzeugten optischen Signale werden mittels einer Detektionsoptik (4), hier beispielhaft unter einem Winkel von 90° erfaßt. Fig. 1 illustrates a possible arrangement investigation. The light from a light source ( 1 ) is directed into the measuring volume ( 3 ) by means of single-beam optics ( 2 ), which can consist of one or more elements. The single-beam optics can optionally also include a pulse stretcher, since the high pulse energies required for Raman spectroscopy can lead to laser-induced gas breakthroughs in the measurement volume, especially with laser pulse durations in the ns range. In order to avoid such effects when the pulse energy is high, the pulse stretcher can be introduced into the excitation beam path, as a result of which the laser pulses are stretched in time by going through one or more delay loops. This ensures that a higher pulse energy can be introduced into the measuring volume with the same pulse peak power. The optical signals generated are detected by means of detection optics ( 4 ), here for example at an angle of 90 °.
Nach einer Auftrennung in zwei zueinander senkrecht polarisierte Komponenten, die vorzugsweise durch ein Polarisationsprisma nach Glan (5) erfolgt, da dieses optische Element in einem breiten Spektralbereich und mit einem großen Akzeptanzwinkel eine hervorragende Trennung beider Polarisationskomponenten bei geringem Signalverlust erlaubt, während alternative Möglichkeiten, wie z. B. der Einsatz von Dünnschicht- oder Folienpolarisatoren in mindestens einem der genannten Punkte entscheidende Nachteile bieten, und optional einer optischen Vorfilterung durch ein Filter (6) werden die optischen Signale durch dispergierende Elemente (7) (z. B. opt. Filter, Spektrographen) spektral zerlegt. Schließlich werden diese Signale auf Detektoren (8) registriert und der Datenverarbeitung zugeführt. Je nach Ausgestaltung der Elemente (2), (4), (7) und (8) kann das Verfahren mit punktueller, ein- oder zweidimensionaler Ortsauflösung durchgeführt werden.After a separation into two mutually perpendicularly polarized components, which is preferably carried out by a polarization prism according to Glan ( 5 ), since this optical element allows an excellent separation of the two polarization components with little signal loss in a wide spectral range and with a large acceptance angle, while alternative possibilities such as e.g. B. the use of thin-film or film polarizers offer decisive disadvantages in at least one of the points mentioned, and optionally an optical pre-filtering by a filter ( 6 ), the optical signals by dispersing elements ( 7 ) (z. B. optical filters, spectrographs ) spectrally decomposed. Finally, these signals are registered on detectors ( 8 ) and fed to data processing. Depending on the design of the elements ( 2 ), ( 4 ), ( 7 ) and ( 8 ), the method can be carried out with selective, one- or two-dimensional spatial resolution.
Fig. 2 zeigt beispielhaft, wie mit dem Verfahren unpolarisierte Signale von polarisierten Signalen abgetrennt und somit unterschieden werden können. Während in der horizontalen Polarisationsrichtung sowohl Raman-Signale von Stickstoff und Kraftstoff als auch LIF-Emissionen, in diesem Fall von Formaldehyd, detektiert werden, werden in der horizontalen Polarisationsrichtung nur LIF-Signale registriert. Da diese Signale unpolarisiert sind, treten sie auf beiden Detektoren gleich stark auf und können durch Differenzbildung vollständig von den stark polarisierten Raman- Signalen abgetrennt werden. Aus dem Differenzspektrum lassen sich, nach einer Kalibrierung des Aufbaus, z. B. die Konzentrationen der unterschiedlichen Spezies getrennt voneinander quantitativ bestimmen, indem, z. B., die Fläche unter den zugehörigen Raman-Banden ermittelt wird. Im angegebenen Beispiel kann aus dem Verhältnis der Konzentrationen von Stickstoff und n-Hexadekan als Modellkraftstoff das Luft/Kraftstoffverhältnis mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung bestimmt werden. Fig. 2 shows by way of example, as can be separated by the method of unpolarized signals polarized signals and thus distinguished. While both Raman signals from nitrogen and fuel and LIF emissions, in this case from formaldehyde, are detected in the horizontal direction of polarization, only LIF signals are registered in the horizontal direction of polarization. Since these signals are unpolarized, they occur equally strongly on both detectors and can be completely separated from the strongly polarized Raman signals by forming the difference. From the difference spectrum, after calibration of the structure, e.g. B. quantitatively determine the concentrations of the different species separately from one another by, for. B., the area is determined under the associated Raman bands. In the example given, the ratio of the concentrations of nitrogen and n-hexadecane as the model fuel can be used to determine the air / fuel ratio with high temporal and local resolution.
Fig. 3 zeigt, wie neben der Bestimmung der Dampfphasenkonzentrationen auch eine Aussage über den Stand im Reaktionsablauf zum Meßzeitpunkt am Meßort getroffen werden kann. Dabei werden die registrierten Spektren anhand ihres Verlaufs in unterschiedliche Klassen eingeteilt, die jeweils eine unterschiedliche Phase des Prozesses repräsentieren. Spektren vom Typ I weisen keinen oder nur geringen Untergrund auf und sind so der Phase der Verdampfung und Mischung mit der Umgebungsatmosphäre zuzuordnen. Typ II wird Spektren zugewiesen, die den in Fig. 3 gezeigten charakteristischen unpolarisierten Untergrund aufweisen. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um laserinduzierte Fluoreszenz von Formaldehyd, die bei einer Anregungswellenlänge von 355 nm erzeugt wird. Formaldehyd entsteht bei der Hochdruckverbrennung von Kohlenwasserstoffen, in einem Zeitraum, bevor die eigentliche Hauptreaktion einsetzt, und kann deshalb der Phase der Vorreaktionen zugeordnet werden. Spektren vom Typ III zeichnen sich dadurch aus, daß keine Raman-Signale erkennbar sind und nur eine breitbandige Emission, die ihre Maximalintensität bei etwa 400 nm besitzt, detektiert wird. Als Ursprung dieser Fluoreszenzen können polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH) identifiziert werden, ein Verbennungsprodukt, das bei unvollständiger, meist unterstöchiometrischer Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht. Bei vollständig abgelaufener Verbrennung werden Spektren vom Typ IV registriert, die dadurch charakterisiert sind, daß die Raman-Intensität des Stickstoffs deutlich gesunken ist. Dies ist auf den starken Temperaturanstieg durch die Verbrennung bei nahezu konstantem Druck zurückzuführen. Zusätzlich sind schwache Raman-Signale von Wasser vorhanden, das ein Produkt der Verbrennung darstellt. Zusätzlich zu den gezeigten tritt noch ein weiterer Spektrentyp V in Erscheinung, der nicht in Fig. 3 gezeigt wird. Durch die Anwesenheit von Tröpfchen im Meßvolumen wird die Intensitätsschwelle zur Erzeugung induzierter Gasplasmen um mindestens eine Größenordnung verringert (D. C. Smith, in Opt. Eng., 20, 1981, S. 962-969). Dies äußert sich durch ein sehr intensives, breitbandiges Signal, welches die Raman- und Fluoreszenzemissionen vollständig überlagert und damit einen Konzentrationsnachweis verhindert. Eine eindeutige Zuordnung zur Gegenwart von Tröpfchen wird dadurch erreicht, daß die Anregungsintensität so eingestellt wird, daß in partikelfreier Umgebung die Durchbruchschwelle gerade nicht erreicht wird, so daß, falls sich Tröpfchen im Meßvolumen befinden, ein Gasdurchbruch sicher ausgelöst wird. Fig. 3 shows how a statement can be made about the state in the course of the reaction time of measurement at the measurement site in addition to determining the vapor phase concentrations. The registered spectra are divided into different classes based on their course, each representing a different phase of the process. Type I spectra have no or only a small background and can thus be assigned to the phase of evaporation and mixing with the ambient atmosphere. Type II is assigned to spectra that have the characteristic unpolarized background shown in FIG. 3. The example shown is laser-induced fluorescence of formaldehyde, which is generated at an excitation wavelength of 355 nm. Formaldehyde is produced during the high-pressure combustion of hydrocarbons, in a period before the main reaction actually begins, and can therefore be assigned to the phase of the preliminary reactions. Type III spectra are characterized in that no Raman signals are recognizable and only a broadband emission, which has its maximum intensity at about 400 nm, is detected. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) can be identified as the origin of these fluorescences, a by-product that arises from incomplete, usually substoichiometric, combustion of hydrocarbons. When the combustion is complete, type IV spectra are recorded, which are characterized in that the Raman intensity of the nitrogen has decreased significantly. This is due to the sharp rise in temperature due to combustion at almost constant pressure. In addition, there are weak Raman signals from water, which is a product of the combustion. In addition to those shown, another type of spectrum V appears, which is not shown in FIG. 3. The presence of droplets in the measurement volume lowers the intensity threshold for generating induced gas plasmas by at least one order of magnitude (DC Smith, in Opt. Eng., 20 , 1981, pp. 962-969). This is expressed by a very intense, broadband signal, which completely overlaps the Raman and fluorescence emissions and thus prevents a detection of the concentration. A clear assignment to the presence of droplets is achieved in that the excitation intensity is set so that the breakthrough threshold is not reached in a particle-free environment, so that if there are droplets in the measurement volume, a gas breakthrough is reliably triggered.
Fig. 4 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer optischen Diagnose von Verdampfungs-, Gemischbildungs- und Verbrennungsprozessen in einem verdampfenden Spraystrahl. Dargestellt ist das Ergebnis aus 200 Einzelmessungen. Die Häufigkeitsdichteverteilung der registrierten Luft/Kraftstoffverhältnisse ist für drei unterschiedliche Zeiten nach Einspritzbeginn links gezeigt. Auf der rechten Seite ist der zeitliche Verlauf der unterschiedlichen Spektrenklassen dargestellt, der einen Aufschluß über den Prozeßablauf gibt. Fig. 4 shows the result of an example of an optical diagnosis of evaporation, mixture formation and combustion processes in a vaporized spray jet. The result of 200 individual measurements is shown. The frequency density distribution of the registered air / fuel ratios is shown on the left for three different times after the start of injection. On the right side, the time course of the different spectra classes is shown, which provides information about the process flow.
Claims (4)
- - Anregen der Raman-Signale mit einer gepulsten Laserlichtquelle bei einer Wellenlänge, die größer als 310 nm und kleiner als 400 nm ist, und bei der die im Meßvolumen vorhandenen OH- und O2-Moleküle nicht absorbieren und somit auch nicht fluoreszieren,
- - Wählen der Anregungswellenlänge so, daß auftretende Reaktionsprodukte und/oder Reaktionszwischenprodukte, wie Formaldehyd und PAH-Moleküle, zur Fluoreszenz angeregt werden können, um aus ihrem Auftreten eine Charakterisierung des Reaktionsfortschritts abzuleiten,
- - Fokussieren des Lichts der Laserlichtquelle mittels einer Einstrahloptik in das Meßvolumen, wobei die Anregungsintensität so eingestellt wird, daß in von Phasengrenzflächen freier Umgebung die Schwelle für einen Gasdurchbruch gerade nicht erreicht wird und daß bei Anwesenheit von Phasengrenzflächen ein Gasdurchbruch sicher ausgelöst wird,
- - Erfassen der erzeugten optischen Signale mit einer Detektionsoptik und Zuführen zu einem Detektionssystem,
- - Diskriminieren der von der Raman-Streuung und der Fluoreszenz herrührenden Meßsignale gegenüber den Meßsignalen der elastisch gestreuten Anteile der Mie- Streuung an Phasengrenzflächen und der Rayleigh-Streuung durch einen optischen Filter, der so gewählt wird, daß die Wellenlänge der Laserlichtquelle um mindestens eine Größenordnung abgeschwächt wird, während Signale bei anderen Wellenlängen in geringerem Maße abgeschwächt werden,
- - Abtrennen des verbleibenden unpolarisierten Untergrunds von den Raman- Signalen dadurch, daß die optischen Signale in zwei zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen aufgeteilt, simultan erfaßt und voneinander subtrahiert werden,
- - Spektrales Zerlegen der in Polarisationsrichtungen aufgeteilten Emissionen durch dispergierende Elemente im Detektionsstrahlengang und simultanes Messen der Intensitäten an unterschiedlichen spektralen Positionen,
- - Bestimmen des lokalen Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und/oder der Luftzahl λ aus dem Verhältnis der Raman-Intensitäten von Kraftstoff und eines Bestandteils der Luft,
- - Bestimmen der Temperatur aus dem Verhältnis der Intensitäten geeigneter Raman-Banden.
- Excitation of the Raman signals with a pulsed laser light source at a wavelength which is greater than 310 nm and less than 400 nm and at which the OH and O 2 molecules present in the measurement volume do not absorb and thus do not fluoresce,
- Selecting the excitation wavelength such that occurring reaction products and / or reaction intermediates, such as formaldehyde and PAH molecules, can be excited to fluoresce in order to derive a characterization of the reaction progress from their occurrence,
- Focusing the light of the laser light source into the measurement volume by means of single-beam optics, the excitation intensity being set such that the threshold for a gas breakthrough is not reached in an environment free of phase interfaces and that a gas breakthrough is reliably triggered in the presence of phase interfaces,
- Detection of the generated optical signals with detection optics and feeding to a detection system,
- - Discriminate the measurement signals originating from Raman scattering and fluorescence compared to the measurement signals of the elastically scattered portions of the Mie scattering at phase interfaces and the Rayleigh scattering by means of an optical filter which is chosen so that the wavelength of the laser light source is at least an order of magnitude is attenuated while signals at other wavelengths are attenuated to a lesser extent,
- Separating the remaining unpolarized background from the Raman signals by dividing the optical signals into two mutually perpendicular polarization directions, simultaneously detecting them and subtracting them from one another,
- Spectral decomposition of the emissions divided into polarization directions by dispersing elements in the detection beam path and simultaneous measurement of the intensities at different spectral positions,
- Determining the local fuel / air ratio and / or the air ratio λ from the ratio of the Raman intensities of fuel and a component of the air,
- - Determine the temperature from the ratio of the intensities of suitable Raman bands.
- - Erkennen eines von Phasengrenzflächen induzierten Gasdurchbruchs und damit der Gegenwart von Phasengrenzflächen im Meßvolumen bei einer Einzelmessung dadurch, daß an irgendeiner spektralen Position unabhängig vom Polarisationszustand eine Intensität größer als ein geeignet zu wählender Schwellwert auftritt, und Zuweisen eines entsprechenden Merkmals dieser Einzelmessung,
- - Charakterisieren des Reaktionsfortschritts über die Zuordnung der gemessenen Einzelspektren, nämlich
- - Zuordnung von Spektren, die keinen oder nur einen geringen Untergrund aufweisen, zur Phase der Verdampfung oder Mischung,
- - Zuordnung von Spektren, die einen für Verbrennungsprodukte charakteristischen unpolarisierten Untergrund aufweisen, zur Phase der Vorreaktion,
- - Zuordnung von Spektren, in denen keine Raman-Signale erkennbar sind und nur eine breitbandige Emission detektiert wird, zur Phase des ablaufenden Verbrennungsvorgangs,
- - Zuordnung von Spektren, die deutlich herabgesetzte Raman-Intensitäten des Stickstoffs und gleichzeitig Raman-Signale von Verbrennungsprodukten aufweisen, zur Phase der abgeschlossenen Verbrennung
- Detection of a gas breakthrough induced by phase interfaces and thus the presence of phase interfaces in the measurement volume in the case of a single measurement by virtue of the fact that an intensity greater than a suitable threshold value occurs at any spectral position, regardless of the polarization state, and assigning a corresponding feature of this individual measurement,
- - Characterize the progress of the reaction by assigning the measured individual spectra, namely
- Assignment of spectra which have no or only a small background to the phase of evaporation or mixing,
- Assignment of spectra which have a non-polarized background characteristic of combustion products to the phase of the pre-reaction,
- Assignment of spectra in which no Raman signals are recognizable and only a broadband emission is detected to the phase of the combustion process taking place,
- - Assignment of spectra, which show clearly reduced Raman intensities of nitrogen and at the same time Raman signals of combustion products, to the phase of the completed combustion
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