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Aufbau eines optisch zugänglichen Einzylinder-Viertaktmotors und charakterisierende Messungen

Bensing, Dennis

Verbrennungsmotoren leisten im alltäglichen Leben unschätzbare Dienste und sind ein Garant für zuverlässigen Waren- und Personentransport. Durch die zu ihrem Betrieb verwendeten, meist fossilen Brennstoffe werden jedoch Emissionen des klimaschädigenden Gases Kohlendioxid freigesetzt. Außerdem werden im Verlauf der Verbrennung weitere gasförmige Substanzen, wie Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe gebildet, die sowohl die Umwelt als auch den Menschen schädigen. Daher besteht eines der vorrangigen Ziele bei der Entwicklung moderner Motoren in der Verringerung des Verbrauchs und in der Realisierung möglichst schadstoffarmer Brennverfahren. Der im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute, in Betrieb genommene und charakterisierte Einzylinder-Viertaktmotor kann durch seine vielfältigen optischen Zugänge sowie seinen flexiblen Aufbau zur Entwicklung effizienter und schadstoffarmer Brennverfahren eingesetzt werden. Er verfügt sowohl über einen ringförmigen optischen Zugang zum Brennraum als auch über ein Kolbenfenster, wodurch insgesamt der größte Teil des Brennraumes für optische Untersuchungen zugänglich wird. Durch zusätzliche endoskopische Zugänge können neue endoskopische Messtechniken erprobt und mit den großflächigen optischen Zugängen unter gleichen Randbedingungen verglichen werden. Vielseitige Einstellmöglichkeiten und verschiedene Kraftstoffeinspritzsysteme ermöglichen die Nachbildung aktueller und die Entwicklung neuer Brennverfahren zur eingehenden optischen Untersuchung, wobei die optischen Messungen durch Indizierung des Zylinder-, Saugrohr- und Abgasdrucks sowie umfangreiche Betriebsgrößenmessungen ergänzt werden. Zur Charakterisierung des Motors wurden Untersuchungen zum Brennfortschritt in einem fremdgezündeten Betriebspunkt anhand des von der Flamme emittierten Chemilumineszenzsignals (OH*) sowie anhand laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) von im Laufe der Kompression und Verbrennung gebildetem Formaldehyd (CH2O) durchgeführt. Weiterhin wurde ein für eine schadstoffarme Verbrennung besonders interessanter selbstzündender Betriebspunkt realisiert und mit endoskopischen Messungen des OH*-Signals sowie der CH2OFluoreszenz untersucht. Hierbei konnte die Entstehung und der Abbau von CH2O im Verlauf des gesamten Zyklus beobachtet und zusätzlich Emissionsquellen unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Brennraum identifiziert werden. Zur Charakterisierung der verwendeten Direkteinspritzdüse wurden sowohl mit Hilfe der großflächigen optischen Zugänge als auch mit Hilfe der endoskopischen Zugänge Streulichtmessungen am Kraftstoffspray durchgeführt und verglichen.

Combustion engines are of invaluable importance for the reliable transportation of goods and passengers in everyday life. However, due to the fossil fuels used for their operation, leading to the release of climate-damaging carbon dioxide emissions. Additionally, during the process of combustion, other gaseous substances like nitric oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons which are harmful both to the environment and human beings are formed. For these reasons, the reduction of fuel consumption as well as the development of combustion processes with as low pollutant production as possible are predominant targets in the development of modern combustion engines. Due to its excellent optical accessibility and operational flexibility, the optically accessible engine which was built up, commissioned and characterized within the scope of this work is capable to contribute to the development of efficient and low emission producing combustion processes. To allow for optical access to the combustion chamber, the engine is equipped with both an annular optical access and a piston window, thus enabling the assessment of most regions within the combustion chamber. Furthermore, additional endoscopic accesses allow for the testing of newly developed endoscopic measurement techniques and for a comparison of the results with findings obtained by large scale optical investigations under the same operating boundary conditions. Due to various possible operational settings of the engine hardware and the possibility of applying different fuel injection systems, the reproduction of state of the art combustion processes as well as the development of new techniques for subsequent optical assessment are possible, while all these investigations are supplemented by indication measurements of the cylinder, intake and exhaust pressures as well as numerous measurements of the operating conditions. For characterization of the engine, investigations of flame propagation in a spark‒ignited operation mode were conducted using the chemiluminescence signal (OH*) emitted by the flame as well as laser induced fluorescence (LIF) of formaldehyde (CH2O) occurring during compression and ignition. Moreover, a low pollutant producing self ignition operation mode was implemented and investigated with endoscopic assessment of the OH*-signal and CH2O-fluorescence. In the scope of these measurements, the formation and consumption of CH2O could be observed during the whole combustion cycle and sources of unburned hydrocarbons in the combustion chamber could be identified. In order to characterize the utilized direct injection fuel injector, comparative light scattering measurements of fuel spray using the large scale optical accesses and endoscopic measurements were conducted.

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Bensing, Dennis: Aufbau eines optisch zugänglichen Einzylinder-Viertaktmotors und charakterisierende Messungen. 2014.

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