Kurbelwinkelaufgelöste laseroptische Messverfahren zur Untersuchung der Gemischbildung in Verbrennungsmotoren

Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung zeitlich hoch aufgelöster optischer Messtechniken direkt im Brennraum von Verbrennungsmotoren. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Untersuchung des Gemischbildungsprozess. Dieser ist gerade für moderne Brennverfahren, mit dem Ziel der Effizienzsteigerung und Verringerung der Schadstoffemissionen, von besonderer Relevanz.

Im ersten Teil der Arbeit erfolgt die messtechnische Bestimmung der internen Restgasmenge in einem Einzylinderforschungsmotor und einem Serienmotor. Ziel ist es die Grundlage für die Entwicklung eines Zündkerzensensors, der neben der Zündfunktion auch eine Bestimmung der Restgasmenge in Serienmotoren zulässt, zu schaffen. Die Messung der Restgasmenge erfolgt über die Messung der Wasserkonzentration mittels Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie bei einer Wellenlänge von 1,4 µm. Die erhaltene Wasserkonzentration wird in einen Restgasanteil umgerechnet. Um diesen Restgasanteil mit Simulationen vergleichen zu können kommt ein verallgemeinertes Restgasmodell zur Anwendung.

Im zweiten Teil der Arbeit wird, die für weitere Messungen verwendete Hochgeschwindigkeitskamera charakterisiert. Ergebnisse zu Effekten wie Dunkelstromrauschen, Ausbleichen des verwendeten Bildverstärkers oder Nichtlinearität des Systems werden gezeigt und beurteilt. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen erfolgen Temperaturmessungen mit dem Kamerasystem und einem ergänzenden Hochgeschwindigkeitslaser an einer beheizbaren Düse. Die Temperaturmessung wird über eine Ein-Farbentechnik mit Toluol als verwendetem Tracer realisiert. Die aus diesem Versuch abgeleiteten Verbesserung in Aufbau, hinsichtlich des verwendeten Lightsheets, und Auswertealgorithmen werden schließlich bei bildgebenden Messungen der Temperaturverteilung im Brennraum eines optisch zugänglichen Einzylinderforschungsmotors umgesetzt. Basierend auf den Erfahrungen der vorangegangenen Messungen wird bei diesen Temperaturmessungen kein absoluter, sondern eine Messung der Temperaturverteilung über einen relativen Ansatz verfolgt. Die gemessene Temperatur wird auf einen Serienmittelwert bezogen und die Änderung der Einzelmessung relativ zu diesem Serienmittel ermittelt. Als Tracer für die Ein-Farbentechnik wurde ebenfalls Toluol verwendet. Die Messungen erfolgten bei einer Motordrehzahl von 2000 min–1 und einer zeitlichen Auflösung des Messsystems von 9,5 kHz. Die im geschleppten Betrieb erreichte Kompressionsspitzentemperatur lag bei ca. 780 K.

The aim of this work is the application of optical measurement techniques with high temporal resolution directly in the combustion chamber of combustion engines. The focus is on the investigation of the mixture formation process. This process is of particular relevance for modern combustion processes with the aim of increasing efficiency and reducing pollutant emissions.

In the first part of the thesis, the internal residual gas quantity is determined by measurement in a single-cylinder research engine and a production engine. The aim is to create the basis for the development of a spark plug sensor, which, in addition to the ignition function, also allows the determination of the residual gas quantity in series engines. The measurement of the residual gas quantity is done by measuring the water concentration by means of diode laser absorption spectroscopy at 1.4 µm. The resulting water concentration is converted into a residual gas fraction. To compare these results with simulations, a generalized residual gas model is used.

In the second part of the thesis a characterization of the high-speed camera used for the further measurements is carried out. Effects such as dark current noise, depletion of the image intensifier or non-linearity of the system are shown. Based on the knowledge, temperature measurements with the camera system and an additional high-speed laser at a heated nozzle are realized. The temperature measurement is performed using a single-color technique with toluene as tracer. The improvements in test setup, with regard to the lightsheet, and evaluation algorithms developed in this experiment are finally used for image-based measurements of the temperature distribution in the combustion chamber of an optically accessible single-cylinder research engine. Based on the experience of previous measurements, these temperature measurements are not absolute, but rather a measurement of the temperature distribution using a relative approach. The measured temperature is related to a series mean value and changes in the individual measurement are determined relative to this mean. Toluene was also used as a tracer for the single-color technique. The measurements were performed at an engine speed of 2000 rpm and a time resolution of the measuring system of 9.5 kHz. The compression peak temperature reached in motored operation was about 780K.

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