Development and exploitation of optical diagnostic techniques for simultaneous 2D temperature and equivalence ratio measurements for the understanding of combustion phenomena in reciprocating engine
Eine laser-diagnostische Methode zur gleichzeitigen berührungsfreien Messung von Kraftstoffkon- zentration, Sauerstoffkonzentration und Temperatur wurde unter motorischen Bedingungen unter- sucht. Das Verfahren basiert auf der zwei Tracer-LIF (Laser-Induzierte Fluoreszenz) mit Einzel- Wellenlängen-Laseranregung. Der erste, temperaturempfindliche Tracer (Naphthalin) wird verwendet, um mit zunehmender Rotverschiebung des LIF-Signals die Temperatur zu bestimmen. Dazu wird das Verhältnis der LIF-Intensitäten in zwei verschiedenen Spektralbereichen gemessen. Der zweite Tracer (Toluol) weist eine andere Sauerstoff-Empfindlichkeit auf, so dass auf dem Quotient der LIF- Signalstärke beider Tracer der Sauerstoff‐Partialdruck bestimmt werden kann. Das niedrige Niveau der photophysikalischen Interaktion zwischen Toluol und Naphthalin wurde durch die Untersuchung von deren Gemischen bei verschiedenen Temperaturen, Drücken und Sauerstoff-Partialdrücken ge- prüft. Die entwickelte LIF Technik wurde in einer Hochdruck- und Hochtemperatur-Zelle untersucht, welche reproduzierbare Einspritzung und Gaszustände unter motorähnlichen Bedingungen gewährte. Darüber hinaus ermöglicht diese Messzelle unabhängige Parametervariationen für Temperatur- und Sauerstoff-Partialdruck. Durch Untersuchung der Toluol-LIF konnte weiterhin der Messfehler jener LIF-Verfahren bestimmt werden, die auf dem Intensitätsverhältnis zweier Spektralbänder basieren. Im Fall verdampfenden Diesel-Jets (motorische Bedingungen) konnte so eine 1-σ Präzision von 20-40K bestimmt werden. Anschließend wurde das Potential der Zwei-Tracer-LIF-Technik zur gleichzeitigen Messung von Temperatur und Sauerstoff-Partialdruck unter motorischen Bedingungen bewertet (bei hoher Temperatur, hohem Druck und starker Inhomogenität von Temperatur und Spezieskonzentrati- on). Die Zwei-Tracer-LIF-Technik konnte ihre Eignung zur Messung niedriger Sauerstoff- Partialdrücke (bis 0,3 bar) nachweisen, zur Messung von motortypisch hohen Partialdrücken eignet sie sich aber noch kaum.
A non-intrusive laser diagnostic technique for simultaneous measurements of fuel concentration, tem- perature, and O2 concentration has been investigated in conditions representative for internal combus- tion (IC) engines. The technique is based on two-tracer LIF with single-wavelength laser excitation. One tracer (naphthalene) with high sensitivity to temperature is used to measure temperature based on the redshift of the tracer-LIF signal with increasing temperature. The method requires the determina- tion of the ratio of LIF intensities collected in two distinct spectral ranges. A second tracer (toluene) with a different O2-sensitivity compared to the first tracer is used to measure the O2 partial pressure. The ratio of the LIF signals of the two tracers is used to determine O2 partial pressures. The low level of photophysical interaction between toluene and naphthalene was verified by investigating the photo- physical properties of a mixture of toluene and naphthalene for various temperatures, pressures, and O2 partial pressures. In the present study, the LIF technique was investigated in a high-pressure, high- temperature cell providing well-controlled injection and bath-gas conditions that are representative for in-cylinder IC engine conditions. Furthermore, this cell enables single-parameter variations for tem- perature and O2 partial pressure. The investigation of a single-tracer LIF technique (using toluene) enabled the development of a quantitative methodology to evaluate and optimize measurement uncer- tainty of tracer-LIF technique requiring LIF-ratio calculation. The methodology first developed on single-tracer LIF temperature measurements applied to a vaporized Diesel jet configuration in IC en- gine conditions allowed to determine a 1-σ precision of 20–40 K. The methodology was then used to evaluate the potential of the two-tracer LIF technique for simultaneous measurements of temperature and O2 partial pressure at conditions representative for IC engines (high temperatures, high pressures, and high inhomogeneities in temperature and species concentrations). The two-tracer LIF technique has potential for measuring low O2 partial pressures (up to 0.3 bar) but is limited at higher O2 partial pressures that are typical for IC engine conditions (2–10 bar).
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