Endoscopic imaging techniques for gas phase temperature, combustion, fuel films, and soot in internal combustion engines

In this work, a large-aperture hybrid UV endoscope system is used for minimally-intrusive optical diagnostics to visualize various phenomena in the combustion chamber of spark-ignition engines. The first part of the thesis describes the characterization of the UV endoscope system. To make the endoscopic imaging more universally applicable, the hybrid diffractive-refractive relay element (DOE) of the endoscope system was replaced by commercial UV camera lenses, and several combinations were compared in terms of resolution, brightness, and chromatic aberration. The modulation transfer function (MTF) was measured to quantify the resolution. With an unintensified CCD camera, endoscope systems using commercial camera lenses had better resolution. However, with an intensified camera the system with the DOE in the design wavelength range had the best overall performance. Selected imaging systems were used in a port fuel injection (PFI) spark-ignition engine to image OH*-chemiluminescence, with results consistent with those from bench-top characterization.
The second part focuses on gas-phase temperature measurements in PFI spark-ignition engine based on two-color laser-induced fluorescence (LIF) thermometry. The red-shift of the anisole fluorescence spectrum with increasing temperature and oxygen partial pressure was exploited for ratiometric temperature measurements based on single-shot images. The available spectroscopic data was used to develop several models, which were calibrated in-situ. Calibration models with two-step interpolation yielded good agreement with the adiabatic temperature during compression. Temperature images based on single-shots were obtained using one selected model, showing a near-uniform and a stratified temperature distribution during the compression stroke and gas exchange, respectively.
The third part of the thesis describes endoscopic imaging in an all-metal direct-injection spark-ingition engine. Liquid fuel films on the piston were visualized via LIF, and the effects of injection time, injection pressure, engine temperature, and combustion on the fuel-film evaporation were investigated, with engine temperature having the primary effect on evaporation. LIF from fuel films and soot incandescence were also visualized quasi-simultaneously with an intensified double-frame CCD camera, and the effect of engine temperature on the spatial location of fuel films and soot was investigated. Finally, high-speed imaging showed the spray, chemiluminescence, and soot incandescence, with results broadly consistent with fuel-film LIF and soot incandescence imaging.
In dieser Arbeit wird ein hybrides UV-Endoskopsystem für eine minimalinvasive optische Diagnostik zur Visualisierung verschiedener Phänomene im Brennraum von Ottomotoren eingesetzt. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Charakterisierung des UV-Endoskopsystems. Für universellere Einsetzbarkeit des Systems wurde das diffraktiv-refraktive Hybrid-Relayelement (DOE) des Endoskopsystems mit kommerziellen UV-Kameraobjektiven ersetzt. Verschiedene Kombinationen wurden hinsichtlich Auflösung, Helligkeit und chromatischer Aberration verglichen. Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) wurde zur Quantifizierung der Auflösung gemessen. Mit einer nicht-bildverstärkten Kamera haben Endoskopsysteme mit kommerziellen Objektiven eine bessere Auflösung. Mit einer bildverstärkten Kamera hat jedoch das System mit DOE im Auslegungs-Wellenlängenbereich die beste Gesamtleistung. Ausgewählte Abbildungssysteme wurden in einem Ottomotor mit Saugrohreinspritzung zur Abbildung der OH*-Chemilumineszenz eingesetzt, wobei die Ergebnisse mit denen der Charakterisierungsmessungen übereinstimmten.
Der zweite Teil konzentriert sich auf die Messung der Gasphasentemperatur in einem Ottomotor mit Saugrohreinspritzung, basierend auf der Thermometrie durch 2-Farben-Laser-induziertee Fluoreszenz (LIF). Die Rotverschiebung des Anisol-Fluoreszenzspektrums mit steigender Temperatur und steigendem Sauerstoffpartialdruck wurde für die verhältnisbasierte 2-Farben-Messung der Temperatur im Einzelschuss ausgenutzt. Aus den verfügbaren spektroskopischen Daten wurden mehrere Modelle entwickelt, die in-situ kalibriert wurden. Modelle mit 2-Schritt-Interpolation ergeben eine gute Übereinstimmung mit der adiabatischen Kompressionstemperatur. Gasphasentemperaturbilder wurden auf der Basis von Einzelschüssen mit einem ausgewählten Modell generiert. Sie zeigen eine nahezu gleichförmige Temperaturverteilung während des Kompressionshubs und ausgeprägte Inhomogenität während des Gaswechsels.
Der dritte Teil der Arbeit beschreibt endoskopische Bildgebung in einem direkteingespritzenden Ottomotor. Zunächst wurden flüssige Kraftstofffilme auf der Kolbenoberfläche durch LIF visualisiert und die Auswirkungen der Einspritzzeit, des Einspritzdrucks, der Motortemperatur und der Verbrennung auf die Verdampfungszeit des Kraftstofffilms untersucht, wobei die Motortemperatur den größten Einfluss auf die Verdampfung hatte. LIF von Kraftstofffilmen und Rußinkandeszenz wurden quasi-simultan mit einer bildverstärkten Doppelbild-CCD-Kamera visualisiert und der Einfluss der Motortemperatur auf die räumliche Struktur von Kraftstofffilmen und Ruß untersucht. Schließlich wurden mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen das Spray, die Chemilumineszenz und die Rußinkandeszenz visualisiert, wobei die Ergebnisse weitgehend mit den Aufnahmen durch LIF und Rußinkandeszenz konsistent waren.

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