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Charakterisierung von Öl- und Kraftstoffschichten in der Kolbengruppe mittels laserinduzierter Fluoreszenz

Wigger, Stefan

Die Kolbengruppe des Verbrennungsmotors ist ein Dichtsystem in Relativbewegung, das im Spannungsfeld zwischen optimaler Dichtfunktion und niedrigen Reibungsverlusten steht. Aufgrund des hohen Komplexitätsgrades ist eine Vorhersage des Systemverhaltens unmöglich. Die Arbeit widmet sich daher dem Aufbau und der Kalibrierung eines Messsystems zur optischen Charakterisierung von Öl- und Kraftstoffschichten in der Kolbengruppe basierend auf der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Öl wurde dazu in Spuren mit Laserfarbstoffen, hier im wesentlichen Pyrromethen 567 und Rhodamin 640, versetzt. Die Farbstoffe werden mit einem Nd:YAG-Laser bei 532 nm angeregt und das Fluoreszenzlicht mittels einer CMOS-Kamera zweidimensional abgebildet. Während die qualitative Anwendung, teils auch in Motoren, bereits in der Literatur dokumentiert ist, besteht ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit in Methoden zur Quantifizierung. Die optischen Eigenschaften der Messtechnik wurden dazu zunächst ex-situ in einer Kalibriervorrichtung untersucht. Ein wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen ist, dass metallische Hintergrundmaterialien über ihren unterschiedlichen Reflexionsgrad signifikant das Messsignal beeinflussen, die Oberflächenrauigkeit allerdings kaum. Anschließend erfolgten die Applikation an einem Kolbenringtribometer und die Entwicklung einer In-situ-Kalibrierung, die eine zweidimensionale Quantifizierung der Instrumentenfunktion des Messsystems einschließt. Dadurch konnte die Ölfilmdicke von et-wa 2 µm im gesamten Kolbenringbereich auf 0,1 µm genau bestimmt werden. Ab etwa 8 m/s Gleitgeschwindigkeit zeigte der Ölfilm ein unstabiles Verhalten. Ein weiterentwickeltes hochrepetitives Messsystem ermöglichte die zeitliche Auflösung dieser dynamischen Prozesse im Schmierspalt. Durch den ergänzenden Einsatz einer alternativen, auf Totalreflexion basierenden Beleuchtungsmethode konnte ausschließlich das an der Laufbahnoberfläche haftende Öl sichtbar gemacht und eine Teilfüllung des Schmierspaltes nachgewiesen werden. Die am Tribometer gewonnenen Erkenntnisse werden u.a. helfen, dreidimensionale Simulationsmodelle weiter zu entwickeln. Zur Untersuchung der tribologischen Vorgänge in der gesamten Kolbengruppe wurde die LIF-Messtechnik ebenfalls an einem optisch zugänglichen Einzylindermotor eingesetzt. Fenster in der Zylinderwand ermöglichen hier die Beobachtung der Kolbengruppe über den gesamten Hub. Öltransportvorgänge können so in Abhängigkeit der Motorbetriebsparameter untersucht werden. Die verschiedenen Reflexionsgrade der Kolbenoberfläche beeinflussen auch hier das Fluoreszenzsignal um nahezu den Faktor zwei, zudem variiert die Laser-Intensitätsverteilung von 60 – 100% über die gesamte Fensterfläche. Zur quantitativen Schichtdickenmessung kommt der Ermittlung der zweidimensionalen Systemantwort somit besondere Bedeutung zu. Dazu wurde die am Kolbenringtribometer entwickelte In-situ-Kalibrierung in modifizierter Form übertragen. Die Interaktion von Kraftstoff und Öl in der Kolbengruppe führt zu Ölverdünnung und steht im Verdacht Vorentflammungen auszulösen. Die genaue Untersuchung dieser Vorgänge ist außerhalb des Rahmens dieser Arbeit, wohl aber wurden qualitative Voruntersuchungen hier durchgeführt. Zur Detektion von Kraftstoff mittels LIF-Messtechnik wurden Löslichkeit und Fluoreszenzintensität der Laserfarbstoffe in üblichen Kraftstoffen untersucht. Mit Pyrromethen 567 versetzter E10-Kraftstoff wurde als geeignet für die Untersuchung ermittelt. Damit gelang die Detektion der Kraftstoffverteilung auf der Zylinderwand und in der Kolbengruppe im gefeuerten Betrieb. Durch den nicht verdampfenden Farbstoff wird allerdings der Einfluss von Kraftstoffverdampfung auf das Fluoreszenzsignal nicht adäquat repräsentiert. Hier können weiterführende Arbeiten ansetzen, indem der Kraftstoff mit einem mitverdampfenden Fluoreszenzmarker versetzt wird.

The design of the piston-ring area is caught between optimal sealing and low friction losses. Due to its complexity, an accurate prediction of the system behavior is still not possible. This thesis describes the development and calibration of an optical meas-urement system for the characterization of liquid films in the piston-ring area based on laser-induced fluorescence (LIF). The laser dyes pyrromethene 567 and rhodamine 640 were dissolved in oil and excited with an Nd:YAG-laser at 532 nm. The fluorescent light distribution was imaged by a CMOS camera. While the qualitative use of LIF for such purposes is well documented, the main contribution of this work is in the development of quantitative methods for LIF-measurements of oil-film thickness In a first step, the fundamental optical properties of the optical system were investigated ex-situ in a calibration device. An important result of these experiments was that the surface reflectivity of the contact bodies strongly depends on the material, while surface roughness has only minor influence. Next, the method was used in a piston-ring tribometer. For this purpose, an in-situ calibration including the two-dimensional system response was developed. This allowed determining the oil-film thickness to be on the order of 2 µm with an accuracy of 0.1 µm. Above about 8 m/s sliding speed, the film is spatio-temporally unstable. To image the oil-film dynamics at high sliding speeds, a system with kHz frame rates was developed. An alternative method of illuminating the film based on total internal reflection enabled the exclusive visualization of oil-wetted areas. This provided evidence that the lubrication gap is only partially filled. The findings from the tribometer help to improve existing 3D simulation models of oil films. The LIF-system was also used in an optically-accessible single-cylinder engine. Win-dows in the cylinder liner allowed imaging the whole piston-ring area over the entire stroke. This allowed investigating the oil-transport processes as a function of the engine operating conditions. Also in the case of the engine, the fluorescence signal varied by almost a factor of two due to different reflectivities of the various materials. Additionally, the distribution of laser intensity within the window area varied between 60 – 100%. Therefore, it was particularly important to quantify the two-dimensional optical system response, which was accomplished by modifying the in-situ calibration developed in the piston-ring tribometer. The interaction of fuel and oil in the piston-ring area leads to oil dilution and is suspected to trigger low-speed pre-ignition events. Detailed investigation of the relevant processes is beyond the scope of this work, but some preliminary experiments were performed. In order to detect the fuel by LIF, the solubility of laser dyes in the fuel and the resulting fluorescence intensity were examined. Traces of pyrromethene 567 dissolved in E10-fuel were found most suitable. With this combination it was possible to detect fuel on the liner and in the piston-ring area in fired engine operation. However, the non-volatile laser dyes are not suitable to represent the influence of fuel evaporation during the measurement. It is thus recommended to further investigate the use of co-evaporative tracers for this purpose.

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Wigger, Stefan: Charakterisierung von Öl- und Kraftstoffschichten in der Kolbengruppe mittels laserinduzierter Fluoreszenz. 2015.

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