Gas-phase PIV thermography based on phosphorescence for high-temperature applications
In this dissertation, the development and application of high-temperature thermographic phosphor particle image velocimetry (T-PIV) are presented to simultaneously measure the temperature and the velocity of the post-combustion gases in the expansion stroke of an optically accessible internal combustion engine (ICE). For this objective, micrometer-sized phosphor particles are dispersed in the air and fed into the engine. Two-dimensional temperature fields are measured using the ratiometric two-color approach by exploiting the temperature-dependent luminescent properties of thermographic phosphors (TP), and gas velocity maps are obtained based on particle-image velocimetry (PIV).
While PIV is a well-established approach, three major challenges have been identified for temperature measurement in post-combustion gases using thermographic phosphors: (a) particle survivability during combustion to ensure that the luminescence properties are not deteriorated once particles are exposed to flames, (b) the generation of calibration data for phosphor thermometry based on aerosolized phosphor particles, and (c) the suppression of signal contribution from combustion luminescence in the engine that can interfere spectrally and temporally with the phosphor luminescence.
SMP:Sn ((Sr,Mg)3(PO4)2:Sn2+) and YAG:Pr (YAG:Pr3+) were selected from a wide range of thermographic phosphors based on various parameters, including temperature sensitivity, spectral characteristics, and luminescence emission lifetime and examined according to the challenges mentioned above.
To investigate the particle survivability of thermographic phosphors in harsh combustion conditions, the phosphors’ luminescence properties are investigated in the post-combustion gases of a lean premixed flame with combustion temperatures similar to those found in an ICE. The particles are recaptured above the flame and ex situ analyzed for chemical or structural changes using microscopic analysis (SEM/EDX) and x-ray diffraction (XRD). While laser-induced luminescence of YAG:Pr can be exploited for in situ temperature measurements after interaction with the flame, no luminescence remains for SMP:Sn for any reaction conditions within the stability limits of the flame. The microscopic analysis of post-flame YAG:Pr did not show any alteration, whereas the morphology and chemical composition of SMP:Sn changed upon passing the reaction zone, which is responsible for the loss of its luminescence properties.
Spectral and temporal luminescence properties of both aerosolized thermographic phosphors are characterized in a heated jet at temperatures up to 825 K. A calibration curve is established for ratiometric two-color thermometry. The luminescence lifetime of the transitions used for the two-color method is characterized over the entire temperature range.
Based on the previously gained knowledge, temperature measurements are carried out in the post-combustion gases of an ICE with YAG:Pr, using a novel online correction approach to reduce signal interference from combustion luminescence. This method combines a lifetime-based camera gating approach with online correction of combustion interference. For this purpose, the exposure duration of both cameras used for the two-color method is individually adjusted, each to a threefold of the emission lifetime constant (3τ) of the corresponding transition in the respective detection channel. This approach enables capturing 95% of the phosphorescence signal while minimizing interference. For online background correction, two subsequent images with similar acquisition parameters are recorded before and after the excitation laser pulse. The first image that only contains signal from combustion luminescence is used to correct the combustion contribution in the second image capturing the laser-induced luminescence, assuming that combustion luminescence does not change for the short exposure duration (<175 µs) and rapid succession of both images (47.2 µs). Potential depletion effects of the intensifier due to the rapid succession of two images are analyzed and accounted for. Temperature fields are then successfully measured in the engine post-combustion gases at 540–580 crank angle degrees (°CA). The average temperature at the bottom dead center (540 °CA) is 657 K with a single-shot precision (±1σ) of 74 K (11%) and decreases to 496 K (65 K, 13%) at 580 °CA.
In this work, temperature measurements in the expansion stroke in an optically accessible ICE using thermographic phosphors under fired conditions are presented for the first time. This dissertation contributes to the development of advanced laser-based diagnostics by extending the measurement conditions for temperature measurements towards the post-combustion regime. This cannot only advance a fundamental understanding of combustion processes but can provide experimental data to validate computational fluid dynamics simulations in the expansion stroke under fired engine conditions, which can both contribute to the development of future highly-efficient practical combustion and reaction systems.
In dieser Dissertation wird die Entwicklung und Anwendung eines bildgebenden optischen Messverfahrens zur simultanen zweidimensionalen Temperatur- und Geschwindigkeitsmessung von Verbrennungsgasen im Expansionshub eines optisch zugänglichen Verbrennungsmotors in gefeuertem Betrieb vorgestellt. Dazu werden mikrometergroße thermographische Phosphorpartikel in die Ansaugluft des Motors dispergiert und durch einen Laserlichtschnitt angeregt. Das Temperaturfeld der Gase wird durch die Intensitätsverhältnismethode unter Ausnutzung der temperaturabhängigen Lumineszenzeigenschaften thermografischer Phosphore (TP) gemessen. Das Geschwindigkeitsfeld wird durch die sich im Zylinder befindlichen Partikel zeitgleich über den herkömmlichen PIV-Ansatz (particle-image velocimetry) quantifiziert.
Während PIV eine vielfach angewendete Messtechnik zur abbildenden Messung von Strömungsgeschwindigkeiten ist, wurden für die Temperaturmessung von Gasen in technischen Verbrennungssystemen drei Herausforderungen identifiziert: (a) Die Lumineszenzeigenschaften der Phosphore können sich während der Interaktion mit der Flamme verändern und dadurch Messungen verfälschen, (b) Es muss eine Intensitätsverhältnis–Temperatur-Kalibrierkurve an in Luft dispergierten thermographischen Phosphoren im relevanten Temperaturbereich ermittelt werden, und (c) Interferierendes Verbrennungsleuchten (Chemilumineszenz, Schwarzkörperstrahlung), das dem gewünschten Signal spektral und zeitlich überlagert ist muss unterdrückt bzw. korrigiert werden.
Als thermografische Phosphore wurden SMP:Sn ((Sr,Mg)3(PO4)2:Sn2+) und YAG:Pr (YAG:Pr3+) durch Evaluierung von Temperaturempfindlichkeit, spektralen Eigenschaften und Lumineszenzlebensdauer als geeignet für die Temperaturmessung in Verbrennungsumgebungen ausgewählt und im Hinblick auf die oben genannten Herausforderungen untersucht.
Die Lumineszenzeigenschaften der Phosphore wurden nach der Interaktion mit einer mageren Vormischflamme untersucht, um die Stabilität der Partikel unter Verbrennungsbedingungen zu erforschen. Die Partikel wurden oberhalb der Flamme aufgefangen und ex situ mikroskopisch (REM/EDX) und mit Röntgenbeugung (XRD) auf chemische und strukturelle Veränderungen untersucht. Während die laserinduzierte Lumineszenz von YAG:Pr für In-situ-Temperaturmessungen auch nach Interaktion mit der Flamme genutzt werden kann, gibt es bei SMP:Sn keine verbleibende Lumineszenz innerhalb der Stabilitätsgrenzen der Flamme. Die mikroskopische Analyse von YAG:Pr aus dem Flammenabgas zeigt keinerlei Veränderungen im Vergleich zu den Phosphorpartikeln vor der Verbrennung, während die Morphologie und die chemische Zusammensetzung von SMP:Sn beim Durchgang durch die Flamme verändert wurden, was zum vollständigen Verlust der Phosphorlumineszenz führt.
Die spektralen und zeitlichen Lumineszenzeigenschaften der beiden Phosphoraerosole wurden in einem beheizten Luftstrom für Temperaturen bis zu 825 K charakterisiert und mithilfe der Zweifarbenmethode eine Intensitätsverhältnis–Temperatur-Kalibrierkurve erstellt. Die Lumineszenzlebensdauerkonstanten der relevanten Übergänge wurden über den gesamten Temperaturbereich bestimmt.
Auf Basis der vorherigen Erkenntnisse wurden Temperaturverteilungen im optisch zugänglichen Motor durchgeführt. Dazu wurde ein neuartiger Messansatz entwickelt, durch den Störsignale aus der Verbrennung reduziert werden können. Dazu wird die Belichtungsdauer der Detektionskanäle der Phosphorlumineszenz jeweils auf das Dreifache der erwarteten Lebensdauer (3τ) der Emission eingestellt. Dadurch werden 95% des emittierten Signals eingefangen und gleichzeitig die Detektion an Störsignal minimiert.
Zusätzlich wird der Ansatz einer Fast-Echtzeit-Hintergrundkorrektur verfolgt, die die verbleibenden Interferenzbeiträge subtrahiert, die weder zeitlich noch spektral getrennt werden können. Dazu werden zwei Bilder derselben Aufnahmeparameter vor bzw. direkt nach dem Laserpuls aufgenommen. Das erste Bild enthält somit ausschließlich Verbrennungssignal, wohingegen das zweite Bild eine Überlagerung der Signale von Verbrennung und laserinduzierter Phosphoreszenz ist. Unter der Annahme, dass sich die Verbrennung während der Belichtungsdauer (<175 µs) und der schnellen Abfolge beider Bilder (47,2 µs) nicht ändert, können die verbrennungsbedingten Störeinflüsse aus dem zweiten Bild durch Subtraktion korrigiert werden. Mögliche Sättigungseffekte der Bildverstärker aufgrund der schnellen Abfolge beider Bilder werden identifiziert und korrigiert. Mithilfe dieser Methode wurden Temperaturfelder in einem optisch zugänglichen Motor zwischen 540 und 580 °KW (Kurbelwinkelposition) gemessen. Die Untersuchungen in dieser Arbeit ergeben, dass die durchschnittliche Gastemperatur im unteren Totpunkt (540 °KW) 657 K mit einer Einzelschuss-präzision (±1σ) von 74 K (11%) ist und bei 580 °KW auf 496 K (65 K, 13%) fällt.
In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die innermotorische Temperaturmessung auch nach der Verbrennungsphase durch Phosphorthermometrie präsentiert. Diese Dissertation soll einen Beitrag zur Entwicklung fortgeschrittener laserbasierter Messtechnik leisten, indem sie die Messbedingungen für Temperaturmessungen auf den Bereich verbrannter Gase ausweitet. Dies führt nicht nur zu einer Verbesserung des fundamentalen Verständnisses technischer Verbrennungsprozesse, sondern erlaubt auch die Erzeugung experimenteller Daten zur Validierung von fluiddynamischen Simulationen im Expansionshub in gefeuertem Motorbetrieb. Beide Aspekte können zur Entwicklung von zukünftigen hocheffizienten technischen Verbrennungs- und Reaktionssystemen beitragen.