Spray combustion diagnostics with tracer-based laser-induced fluorescence imaging

Um die Vorgänge bei der Verbrennung in modernen Motorentypen, wie z.B dem direkteinspritzenden Benzinmotor, besser verstehen und optimieren zu können, haben sich in den letzten Jahren berührungsfreie, laserbasierte Diagnostik-Methoden als besonders vielseitig und hilfreich erwiesen. Die meisten Motorenentwickler benutzen heutzutage bei ihrer Arbeit optische Messtechniken. Um jedoch sicherzustellen, dass diese Methoden genaue und zuverlässige Ergebnisse liefern, ist es nötig, sie genau zu überprüfen und zu charakterisieren. In dieser Arbeit werden eine Reihe von optischen Diagnostiktechniken für die Sprayanalyse, die auf dem Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) von Tracern basieren, auf ihre Anwendbarkeit und ihre Grenzen hin untersucht. Die Methoden wurden dazu auf unterschiedliche Spraysysteme angewendet: Von der Anwendung in einzelnen Tropfen über Modelsprays bis hin zu Kraftstoffsprays in Versuchsmotoren. Tracer-LIF basiert auf fluoreszierenden Substanzen, die dem Kraftstoff in geringen Mengen beigemischt werden. Deren Fluoreszenzeigenschaften werden dazu verwendet, lokale Größen wie Tropfentemperatur, -größe oder -geschwindigkeit mit hoher Zeitauflösung zu messen. Aus diesen Größen können wichtige Schlüsse über Wärmeund Stofftransportprozesse, die bei der Sprayverbrennung ablaufen, gezogen werden. Jedoch müssen die Eigenschaften der Tracer dazu sehr genau bekannt sein, um verwendbare und vergleichbare Ergebnisse zu garantieren. In dieser Arbeit wurden Tracer im Hinblick auf ihre Verdampfungseigenschaften und die Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenzeigenschaften charakterisiert. Außerdem wurden die Farbstoffe Atto 680, Rhodamin 800 und Rhodamin B auf ihre Anwendbarkeit als Tracer in realen Kraftstoffen untersucht. Gepulste Lasersysteme und hochauflösende CCD oder CMOS-Kameras erlauben die detaillierte und zeitlich wie räumlich hochaufgelöste Untersuchung der Sprayentstehung, -verdampfung und -verbrennung mit Hilfe von Tracer-LIF. Durch Verwendung der sogenannten Laser-Lichtschnitt-Methode können die Signale in zweidimensionalen Schnittebenen simultan erfasst werden. Die Anwendung der zuvor charakterisierten Tracer auf eine Modell-Sayflammen erlaubte durch Vergleich mit den Ergebnissen neuer numerischer Spraymodelle, welche die Flammenchemie über einen Flameletansatz berücksichtigen, neue Einblicke ich diese Vorgänge. Um die Verdampfung eines einzelnen Tropfens zu untersuchen, wurde darüber hinaus eine elektrodynamische Falle konstruiert und aufgebaut, die geladene Tropfen in einem Hochfrequenzfeld über längere Zeit festhalten kann. Die Heizung der Tropfen erfolgte durch einen CO2-Laser. Der Vergleich mit einem neuen Tropfenverdampfungsmodell, das diese Bedingungen berücksichtigt, lieferte vielversprechende Ergebnisse In einem Versuchsmotor mit Benzin-Direkteinspritzung konnte außerdem die Wechselwirkung zwischen Kraftstoffspray und Zündkerze, die Beeinflussung des Zündfunkens, sowie die Auswirkungen von Schwankungen im Spraywinkel während der Einspritzung untersucht werden, was Aufschlüsse über die möglichen Ursachen von Fehlzündungen und unvollständiger Verbrennung lieferte. Laserinduzierte Exciplex- Fluoreszenz lieferte, zur weiteren Untersuchung dieses Sachverhalts, quantitative Informationen über die räumliche Verteilung des zündfähigen Gemischs bei verschiedenen Benzininjektoren unter variierenden Bedingungen.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Heidelberg

Year

2007

Author dc:creator

• Düwel, Isabell

Contributors dc:contributor

• Schulz, Christof,

Repository record source_url

http://www.ub.uni-heidelberg.de/archiv/7349

OAI identifier oai:identifier

oai:archiv.ub.uni-heidelberg.de:7349