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Endoskopische Brennraumdiagnostik im seriennahen Ottomotor durch Chemilumineszenz und laserinduzierte Fluoreszenz

Goschütz, Martin Rafael

In Rahmen dieser Arbeit wird ein UV-Endoskopsystem zur minimalinvasiven optischen Brennraumdiagnostik durch Chemilumineszenz und laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) in einem seriennahen Fahrzeug-Ottomotor eingesetzt.
Der erste Teil der Abhandlung beschreibt die Detektion der Entflammung und der frühen Flammenausbreitung über die Chemilumineszenz in der Reaktionszone mit verschiedenen Kamera- und Abbildungssystemen. Durch das morphologische Bildverarbeitungsverfahren der Segmentierung wird die projizierte Flammenfläche in jedem Bild ermittelt. Diese Messgröße korreliert ab 10°KW nach Zündung sehr gut mit dem Zylinderinnendruck und liefert bereits Informationen über den Brennverlauf bevor die Druckindizierung es kann. Die Qualität der Korrelation zwischen druckbasierten und optischen Daten ist vergleichbar mit Literaturdaten aus einem optisch großflächig zugänglichen Motor. Im zweiten Teil liegt der Fokus auf endoskopischen LIF-Messungen. Dazu wird dem nicht-fluoreszierenden Modellkraftstoff ein „Tracer“ zugefügt, der bei Laseranregung Fluoreszenz emittiert, die mit dem UV-sensitiven Endoskopsystem erfasst wird. Der unter motorischen Bedingungen signalstärkste Tracer für bildgebende LIF-Messungen in der Gasphase wird im Vorfeld durch Versuche und photometrische Modellierung der Signalkette ermittelt. Dabei zeigt Anisol (Methoxybenzol) die höchste Signalintensität und wird aufgrund dessen für die endoskopischen LIF-Messungen verwendet. Die Visualisierung der Flammenausbreitung erfolgt simultan mit zwei Kameras, einerseits durch Detektion der OH*-Chemilumineszenz und andererseits durch Anisol-LIF anhand des Abbrands der signalerzeugenden Tracer-Moleküle. Hierbei ist die mittels Chemilumineszenz-Messung bestimmte projizierte Flammenfläche stets größer als die LIF-Flammenfläche. Das Verhältnis der Flächen aus den beiden Methoden gibt Aufschluss, ob sich die Flamme auf das Detektionsendoskop zu oder von diesem weg ausbreitet. Durch zwei-Farben-LIF-Thermometrie wird das Temperaturfeld in der zentralen Brennraumebene untersucht. Das Messverfahren nutzt die temperaturabhängige Rotverschiebung der Anisol-Fluoreszenz über Detektion in zwei verschiedenen spektralen Banden. Die Temperaturbestimmung erfolgt anhand einer Modellierung des pixelweise bestimmten Signalverhältnisses auf Grundlage der photophysikalischen Daten von Anisol und der o.g. photometrischen Modellierung der Signalkette. Damit werden der räumlich gemittelte Temperaturverlauf über den Kompressionstakt sowie Temperaturfelder im Einzelschuss ermittelt. Während die Absoluttemperatur unterschätzt erscheint, sind die endoskopischen Einzelschuss-Temperaturmessungen ein Novum, das mit dem bislang verwendeten Tracer Toluol nicht möglich war.

In this work, a large-aperture UV endoscope is used for minimally-intrusive optical diagnostics via chemiluminescence and laser-induced fluorescence (LIF) in the combustion chamber of a nearly unmodified production SI-engine.
The first part of the thesis describes the detection of ignition and early flame propagation via chemiluminescence from the reaction zone with various camera and imaging systems. In morphological image processing, the projected flame area is determined by segmentation. After 10° CA after ignition, the flame area correlates well with the cylinder pressure, but it also provides information about the combustion process at earlier crank angles, when pressure-trace analysis cannot be used yet. Optical and pressure-derived data correlate about as well as they do in studies in the literature that were performed in a fully optically accessible engine.
The second part focuses on endoscopic LIF measurements. For this purpose, a “tracer” is added to a non-fluorescing surrogate fuel. The tracer’s fluorescence upon laser excitation is detected by the UV endoscope system. From experiments and photometric modelling of the signal detection train, the tracer is determined that fluoresces brightest in scalar imaging in the gas phase under engine-relevant conditions. Anisole (methoxybenzene) provides the highest signal and is therefore used for the endoscopic LIF measurements.
Visualization of flame propagation is performed simultaneously with two cameras, one detecting OH* chemiluminescence and the other anisole LIF. With anisole LIF, the lack of signal from the tracer indicates the burnt area. The projected flame area determined from chemiluminescence is found to be always larger than the LIF-based flame area, while the ratio of the areas from the two methods indicates if the flame is burning towards or away from the detection endoscope.
Two-color LIF thermometry is used to determine the temperature field in the center plane of the combustion chamber. This diagnostic exploits the temperature-dependent red-shift of anisole’s fluorescence spectrum by simultaneous LIF imaging in two different spectral bands. The local temperature is then determined from the pixel-wise signal ratio based on the known photophysical data of anisole and the aforementioned photometric model of the detection train. The spatially averaged temperature evolution over the compression stroke and single-shot temperature fields are determined. While the absolute temperature appears underestimated, single-shot endoscopic temperature imaging is a novelty that had not been possible with the tracer toluene, used previously in the literature.

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Goschütz, Martin: Endoskopische Brennraumdiagnostik im seriennahen Ottomotor durch Chemilumineszenz und laserinduzierte Fluoreszenz. 2019.

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