Untersuchung des Zusammenhanges zwischen Umsatzrate, Ionenproduktion und Strahlungsemission in Kohlenwasserstoffflammen

Das Ziel der vorliegenden Arbeit, ist durch experimentelle Untersuchungen an Methan-Luft-Vormischtlammen einen quantitativen Zusammenhang herzuleiten zwischen der momentanen globalen Umsatzrate einerseits und der Ionenproduktionsrate bzw. der Strahlungsemission andererseits. Bei der Ionisation und bei der Lichtemission aus der Reaktionszone handelt es sich um Chemieionisation bzw. Chemilumineszenz, also um Nichtgleichgewichtsphänomene, die im Abgas der Flamme sehr rasch abklingen durch Rekombination der Ionen und Elektronen bzw. Verschwinden der hier interessierenden CH- und OH-Radikale. Zur meßtechnischen Erfassung der Ionenproduktionsrate ist eine Trennung der Ladungsträger vor deren Rekombination durch ein starkes elektrisches Feld notwendig. Die Ionenproduktionsrate wird dann repräsentiert durch den Ionensättigungsstrom. Neben der CH- und der OH-Strahlung wird auch die Gesamtstrahlung betrachtet.

Eine Sichtung der vorhandenen Literatur ergibt, daß eine große Zahl von Arbeiten zu Einzelaspekten des vorliegenden Problemkreises existieren. Hier wird jedoch systematisch der Einfluß wesentlicher Parameter auf den gesuchten Zusammenhang zwischen Umsatzrate, Ionenproduktionsrate und Lichtemission untersucht.

Zunächst wird die Abhängigkeit der auf die Umsatzrate bezogenen Strahlungsemission und Ionenproduktionsrate vom Brennstoft-Luft-Verhältnis untersucht. Bemerkenswert ist der relativ geringe Einfluß des Brennstoff-Luft-Verhältnisses auf die bezogene OH-Emission und in der Nähe der stöchiometrischen Verbrennung auch auf die bezogene Ionenproduktionsrate. Die bezogene Gesamtemission steigt infolge Rußbildung im tetten Bereich stark an.

Am Beispiel einer stationären stöchiometrischen Flamme wird gezeigt, daß Ionenproduktionsrate, OH- und CH-Emission und Gesamtemission lineare Funktionen der Umsatzrate sind, die jeweiligen bezogenen Größen bleiben also bei Änderung des Massenstromes konstant. Der genannte Zusammenhang ist unabhängig von der geometrischen Form der Flamme, wird also durch Streckung und Krümmung der Flammenfront nicht beeinflußt. Auch im turbulenten Bereich zeigt sich eine lineare Abhängigkeit der Ionenproduktionsrate und der Strahlungsemission von der Umsatzrate. Die entsprechenden Kurvenverläufe weisen jedoch eine etwas geringere Steigung auf. Ein zeitaufgelöste Messung zeigt eine gute Korrelation zwischen den vier Mebgrößen CH-, OH-Emission, Gesamtstrahlung und Ionenproduktionsrate.

Am Beispiel einer turbulenten Flamme wird bei konstanter Umsatzrate der Einfluß des Druckes auf die Strahlungsemission untersucht. Im Druckbereich von 1 bis 5 bar ergibt sich folgende Abhängigkeit für die Strahlungsintensität vom Druck
I ? -n
mit 0,55 s n< 0,75
Io o
Aus der Literatur ist ein ähnlicher funktionaler Zusammenhang für die Abhängigkeit der laminaren Flammengeschwindigkeit vom Druck bekannt. Der Exponent n wird dort mit n = 0,5 angegeben.

Instationäre Flammen wurden sowohl in einer einseitig offenen als auch in einer geschlossenen Kammer untersucht. In beiden Kammerarten wurde durch Auswertung von Hochgeschwindigkeitsfilmaufnahmen eine Flammenfrontfortpflanzungsgeschwindigkeit ermittelt, die wesentlich über der laminaren Flammengeschwindigkeit liegt. Im Falle der am offenen Ende gezündeten Kammer wurde eine recht gute Ubereinstimmung zwischen dem aus dem Kammervolumen berechneten Gesamtumsatz und dem aus den Strahlungsmessungen ermittelten Umsatz gefunden. Auch der aus der Ionenproduktion ermittelte Umsatz stimmt gut mit den oben genannten Werten überein, wenn als Reterenz eine turbulente Flamme genommen wird. Bei geschlossener Kammer läBt sich die Umsatzrate aus der Steigung der zeitlichen Druckverlautskurve berechnen. Hier ist die Übereinstimmung zwischen der aus dem Druckverlauf berechneten Umsatzrate und den aus Strahlungsemission bzw. Ionenproduktionsrate ermittelten Umsatzraten nur qualitativ. Am besten wird die Umsatzrate noch durch die Ionenproduktionsrate wiedergegeben.

Die Ergebnisse aller Untersuchungen zeigen, daB sich besonders die OH-Emission und die Ionenproduktionsrate zur Ermittlung der momentanen Umsatzrate in Flammen eignen.