Imaging of mixing processes in spark-ignition engines via quantitative laser-induced fluorescence

Kranz, Patrick GND

In this work, laser-induced fluorescence (LIF) imaging of tracers is used to quantitatively study mixture formation in two optically accessible spark-ignited engines.
Two strategies for mixture formation are examined, late direct injection of a multicomponent gasoline-type fuel in a motored engine, and port-fuel injection of methane in a fired engine. In both experiments, the influence of temperature on the quantification is accounted for.

In direct-injection engines, fuel components of different volatility can segregate in the transient evaporating spray.The resulting spatial mixture inhomogeneities may influence ignition and combustion. The optical diagnostic presented here images the effect of preferential evaporation of a multi-component gasoline surrogate fuel. It is based on LIF of two aromatic “tracers” added in small quantities to the non-fluorescing surrogate fuel. The latter consists of a mixture of light to medium volatiles n-pentane and iso-octane, represented by the tracer 1,4-difluorobenzene, and heavy component n-undecane, represented by 1-methylnaphthalene. In experiments in an optically accessible engine motored on nitrogen, LIF from the two tracers is spectrally separated and detected on two cameras, with channel crosstalk corrected during the post-processing. Consistent with previous measurements in a pressure vessel, the light components are preferentially found downstream, towards the front of the evaporated fuel jet. Throughout large regions of the field of view, about 20% surplus of 1-methylnaphthalene is found, and throughout smaller ones about 40% of 1,4-difluorobenzene. An increase in in-cylinder tumble and retarded injection both are found to reduce segregation of fuel components. To better assess the influence of the (unknown) local temperature on measurement accuracy, the temperature is calculated via an adiabatic-mixing model and in separate experiments measured via two-color thermometry based on LIF of anisole (methoxybenzene). In the relevant range of crank angles, the local temperature is found to be 25 K lower in regions of high fuel concentration than in the rest of the charge, implying a systematic temperature-induced error of about 0.11 in the fuel-tracer ratio.

Port-fuel injection can also cause mixture inhomogeneity late in the cycle. This is particularly so for natural gas as the fuel. To obtain spatio-temporally resolved information on air-fuel mixing in the cylinder of a gas-fueled engine, an LIF technique was developed and combined with infrared absorption measurements and a CFD simulation. LIF of anisole, vaporized into the gaseous fuel, is captured by a two-camera system, providing one instantaneous image of the air/fuel ratio per cycle. In advances over previous implementations, the technique simultaneously measures temperature to improve the accuracy in the measured air/fuel ratio. In some experiments, structured laser illumination planar imaging (SLIPI) is used, extending the detection limit but reducing spatial resolution compared to conventional LIF imaging.

In general, the mixture formation after closed-valve injection is found to consist of tumble convection with gradual mixing. Variations in engine speed and intake pressure significantly influence the initial penetration of the fuel-rich fresh charge into the combustion chamber and thus the overall mixture formation.

In dieser Arbeit wird laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) an Marker-Substanzen (Tracer) zur quantitativen bildgebenden Untersuchung der Gemischbildung in optisch zugänglichen Ottomotoren eingesetzt.
Zwei Gemischbildungsstrategien werden untersucht: späte Direkteinspritzung eines Mehrkomponenten-Benzin-Modellkraftstoffs im geschleppten Motor und Saugrohreinblasung von Methan im gefeuerten Betrieb. In beiden Experimenten wird der Einfluss der Temperatur auf die Quantifizierung berücksichtigt.

Bei der Direkteinspritzung von Flüssigkraftstoff können sich Komponenten unterschiedlicher Flüchtigkeit im verdampfenden Kraftstoffstrahl voneinander trennen. Die resultierende Gemischinhomogenität kann Zündung und Verbrennung beeinträchtigen. Die hier vorgestellte optische Messmethode bildet den Effekt der präferentiellen Verdampfung eines Mehrkomponenten-Ersatzkraftstoffs ab. Die Methode basiert auf LIF von zwei aromatischen „Tracern“, die in geringen Konzentrationen dem nicht-fluoreszierenden Ersatzkraftstoff zugesetzt werden. Eine Mischung aus leicht- bis mittelflüchtigen n-Pentan und iso-Oktan, repräsentiert durch den Tracer 1,4-Difluorbenzol, und dem schwerflüchtigen n-Undecan, repräsentiert durch 1-Methylnaphthalin, bildet den Basiskraftstoff. In Experimenten im geschleppten optischen Motor werden die LIF-Signale beider Tracer spektral getrennt von zwei Kameras detektiert, wobei das Kanalübersprechen in der Nachbearbeitung korrigiert wird. In Übereinstimmung mit früheren Messungen in einer Hochdruckkammer finden sich die leichten Komponenten vorzugsweise stromabwärts, an der Vorderseite des verdampften Kraftstoffstrahls. Großflächig ist etwa 20 % Überschuss an 1-Methylnaphthalin und in kleineren Bereich etwa 40 % an 1,4-Difluorbenzol zu sehen. Zunehmende Tumbleströmung oder verspätete Einspritzung reduzieren die Entmischung. Um den Einfluss der (unbekannten) lokalen Temperatur auf die Messgenauigkeit besser beurteilen zu können, wird diese durch adiabate Mischung berechnet und in einem separaten Experiment durch Zweifarben-LIF-Thermometrie an Anisol (Methoxybenzol) gemessen. Im relevanten Kurbelwinkelbereich ist die lokale Temperatur in Bereichen hoher Kraftstoffkonzentration um 25 K niedriger als im Rest der Ladung, was einen systematischen temperaturinduzierten Fehler im gemessenen Kraftstoffverhältnis von ca. 0.11 führt.

Auch Saugrohreinblasung, insbesondere von Erdgas, kann zu einer inhomogenen Kraftstoff-Luft-Verteilung gegen Ende des Zyklus führen. Um die Entwicklung des Luft-Kraftstoffverhältnisses im gefeuerten Betrieb zu untersuchen, wurde eine bildgebende LIF-basierte Messtechnik entwickelt. Die LIF-Messung wurde mit einer punktförmigen Infrarot-Absorptionsmesstechnik und einer CFD-Simulation verglichen, um zusätzliche Informationen in Zeit und Raum zu erhalten. LIF von Anisol, das in den gasförmigen Kraftstoff verdampft wird, wird von einem Zwei-Kamera-System erfasst, das ein Bild des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses pro Zyklus liefert. Im Gegensatz zu früheren Implementierungen wird gleichzeitig die Temperatur gemessen und genutzt, um die Genauigkeit des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu verbessern. Zur Erweiterung der Nachweisgrenze unter Verringerung der räumlichen Auflösung wird „Structured laser illumination planar imaging“ (SLIPI) erprobt.

Insgesamt besteht die Gemischbildung nach Eindüsung bei geschlossenen Ventilen aus konvektivem „Tumble“-Transport mit gradueller Durchmischung. Eine Änderung in Einlassdruck oder Motordrehzahl beeinflusst signifikant die Ausbreitung des kraftstoffreichen Frischgases nach Einlass öffnet und damit die weitere Durchmischung.

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Kranz, P., 2020. Imaging of mixing processes in spark-ignition engines via quantitative laser-induced fluorescence. https://doi.org/10.17185/duepublico/72672
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