Visualisierung von Mehrphasen-Phänomenen in der Kolbengruppe eines direkteinspritzenden Ottomotors
Aufgrund der fortschreitenden Hybridisierung von PKWs und gleichzeitiger Verschärfung gesetzlicher Grenzwerte zu Partikelemissionen und Verbrauchswerten steigen die Anforderungen an den Verbrennungsmotor stetig an. Zur optimalen Auslegung der Komponenten ist dabei ein detailliertes Verständnis der Prozesse im Motorzylinder entscheidend. In dieser Arbeit werden innermotorische Phänomene, die durch die Wechselwirkung der Medien Kraftstoff, Öl, und Umgebungsluft bzw. Verbrennungsgase in der Kolbengruppe ausgelöst werden, bildgebend untersucht. Dazu werden laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) sowie die Erfassung von natürlichem Flammenleuchten der Verbrennungsgase eingesetzt. Die Untersuchungen werden an einem optisch zugänglichen Einzylindermotor durchgeführt, in dessen Zylinderlaufbahn Saphirfenster eingesetzt sind. Die Zylindereinheiten sind austauschbar und unterscheiden sich in der Größe und Position der Fenster.
Zur Untersuchung von Öltransportphänomenen in der Ölnut unter dem Ölabstreifring wird dem Schmieröl der Laserfarbstoff Pyrromethen 567 in geringer Konzentration zugesetzt und durch die Laserpulse eines frequenzverdoppelten Nd:YLF Lasers bei 527 nm zur Fluoreszenz angeregt. Die bildgebenden Messungen erfolgen simultan auf der Druck- und Gegendruckseite des Motors durch CMOS-Kameras. Die Versuche werden durch dreidimensionale CFD-Simulationen ergänzt, die mithilfe der Experimente kalibriert und anschließend genutzt werden, um zusätzliche Informationen aus dem Querschnitt der Ölnut zu gewinnen. Durch den kombinierten experimentell-simulativen Ansatz können die durch Trägheitskräfte und die Kolbensekundärbewegungen ausgelösten Phänomene, wie Öltransport vom Kolben auf die Zylinderlaufbahn (Bridging) und die Ausbildung einer kreisförmigen Strömung in der Nut, im Detail beschrieben werden.
Im zweiten Teil der Arbeit werden Kraftstofffilmdicken auf der Zylinderwand mit Wiederholraten im kHz-Bereich bildgebend gemessen. Dazu wird einem nicht-fluoreszierendem Surrogat-Kraftstoff Anisol zugegeben, das durch die frequenzvervierfachte Strahlung eines Nd:YAG Laser bei 266 nm angeregt wird. Gleichzeitig wird Pyrromethen 567 im Öl durch die frequenzverdoppelte Laserstrahlung bei 532 nm angeregt. Das Fluoreszenzlicht wird durch einen dichroitischen Spiegel spektral aufgeteilt und zwei CMOS-Kameras, für Kraftstoff-LIF in Kombination mit einem Bildverstärker, zugeführt. Zur Absolutwertkalibrierung wird ein definierter Spaltverlauf durch das Anpressen einer konvexen Linse gegen die Fensterinnenseite eingestellt und der entstehende, radial zunehmende Spalt mit der Kraftstoff-Tracer Mischung gefüllt. Es werden zwei Einspritztimings untersucht, 285 °KW und 240 °KW vor zünd-oberem Totpunkt (vZOT). Für beide Einspritztimings werden ähnliche maximale Kraftstofffilmdicken von 16 μm ermittelt. Interessanterweise verdampft der Wandfilm bei der späteren Einspritzung im Mittel schneller, sodass die Kraftstofffilmdicke für beide Einspritzzeitpunkte auf 8 μm sinkt, bis der erste Kolbenring den Wandfilm erreicht. Abgestreifter Kraftstoff sammelt sich auf dem ersten Kolbenring an und wird teilweise nach unten zum zweiten und dritten Kolbenring transportiert. In den simultanen Öl-Aufnahmen ist die Auswaschung von Schmieröl durch den Kraftstoff zu sehen.
Im letzten Teil der Arbeit wird die Flammenausbreitung in den Feuersteg des Kolbens (TLFP) untersucht. Natürliches Flammenleuchten wird durch eine Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera mit Farbkanälen auf der Gegendruckseite des Motors in den frühen Teilen des Expansionshubes erfasst.
Die Farbkanäle der Kamera ermöglichen dabei die Unterscheidung von ideal vorgemischten und rußenden Bereichen der Verbrennung. Es werden die zwei Motorlasten 14 und 26,5 bar indiziertem Mitteldruck (pmi) bei einer Drehzahl von 2000 min-1 verglichen. TLFP kann grundsätzlich in den meisten Zyklen nachgewiesen werden. Leuchtendes Gas dringt bis zum Ringstoß des ersten Kolbenringes in den Feuersteg ein, erlöscht hier jedoch in allen untersuchten Zyklen. Motorklopfen scheint TLFP hoher Intensität zu begünstigen, ist jedoch keine Voraussetzung für das Phänomen. In einigen Zyklen, in denen Klopfen und TLFP gleichzeitig auftritt, zeigte das Verbrennungsgas eine oszillierende Bewegung innerhalb des Feuerstegs, was vermutlich auf hochfrequente Druckschwankungen aufgrund von Motorklopfen zurückzuführen ist.
Zur Untersuchung von Öltransportphänomenen in der Ölnut unter dem Ölabstreifring wird dem Schmieröl der Laserfarbstoff Pyrromethen 567 in geringer Konzentration zugesetzt und durch die Laserpulse eines frequenzverdoppelten Nd:YLF Lasers bei 527 nm zur Fluoreszenz angeregt. Die bildgebenden Messungen erfolgen simultan auf der Druck- und Gegendruckseite des Motors durch CMOS-Kameras. Die Versuche werden durch dreidimensionale CFD-Simulationen ergänzt, die mithilfe der Experimente kalibriert und anschließend genutzt werden, um zusätzliche Informationen aus dem Querschnitt der Ölnut zu gewinnen. Durch den kombinierten experimentell-simulativen Ansatz können die durch Trägheitskräfte und die Kolbensekundärbewegungen ausgelösten Phänomene, wie Öltransport vom Kolben auf die Zylinderlaufbahn (Bridging) und die Ausbildung einer kreisförmigen Strömung in der Nut, im Detail beschrieben werden.
Im zweiten Teil der Arbeit werden Kraftstofffilmdicken auf der Zylinderwand mit Wiederholraten im kHz-Bereich bildgebend gemessen. Dazu wird einem nicht-fluoreszierendem Surrogat-Kraftstoff Anisol zugegeben, das durch die frequenzvervierfachte Strahlung eines Nd:YAG Laser bei 266 nm angeregt wird. Gleichzeitig wird Pyrromethen 567 im Öl durch die frequenzverdoppelte Laserstrahlung bei 532 nm angeregt. Das Fluoreszenzlicht wird durch einen dichroitischen Spiegel spektral aufgeteilt und zwei CMOS-Kameras, für Kraftstoff-LIF in Kombination mit einem Bildverstärker, zugeführt. Zur Absolutwertkalibrierung wird ein definierter Spaltverlauf durch das Anpressen einer konvexen Linse gegen die Fensterinnenseite eingestellt und der entstehende, radial zunehmende Spalt mit der Kraftstoff-Tracer Mischung gefüllt. Es werden zwei Einspritztimings untersucht, 285 °KW und 240 °KW vor zünd-oberem Totpunkt (vZOT). Für beide Einspritztimings werden ähnliche maximale Kraftstofffilmdicken von 16 μm ermittelt. Interessanterweise verdampft der Wandfilm bei der späteren Einspritzung im Mittel schneller, sodass die Kraftstofffilmdicke für beide Einspritzzeitpunkte auf 8 μm sinkt, bis der erste Kolbenring den Wandfilm erreicht. Abgestreifter Kraftstoff sammelt sich auf dem ersten Kolbenring an und wird teilweise nach unten zum zweiten und dritten Kolbenring transportiert. In den simultanen Öl-Aufnahmen ist die Auswaschung von Schmieröl durch den Kraftstoff zu sehen.
Im letzten Teil der Arbeit wird die Flammenausbreitung in den Feuersteg des Kolbens (TLFP) untersucht. Natürliches Flammenleuchten wird durch eine Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera mit Farbkanälen auf der Gegendruckseite des Motors in den frühen Teilen des Expansionshubes erfasst.
Die Farbkanäle der Kamera ermöglichen dabei die Unterscheidung von ideal vorgemischten und rußenden Bereichen der Verbrennung. Es werden die zwei Motorlasten 14 und 26,5 bar indiziertem Mitteldruck (pmi) bei einer Drehzahl von 2000 min-1 verglichen. TLFP kann grundsätzlich in den meisten Zyklen nachgewiesen werden. Leuchtendes Gas dringt bis zum Ringstoß des ersten Kolbenringes in den Feuersteg ein, erlöscht hier jedoch in allen untersuchten Zyklen. Motorklopfen scheint TLFP hoher Intensität zu begünstigen, ist jedoch keine Voraussetzung für das Phänomen. In einigen Zyklen, in denen Klopfen und TLFP gleichzeitig auftritt, zeigte das Verbrennungsgas eine oszillierende Bewegung innerhalb des Feuerstegs, was vermutlich auf hochfrequente Druckschwankungen aufgrund von Motorklopfen zurückzuführen ist.
With the ongoing hybridization of passenger cars and the simultaneous tightening of legal limits on particulate emissions and fuel consumption, the demands on the combustion engine are constantly increasing. A detailed understanding of the occurring phenomena is crucial for an optimal design of the engine components. In this work, in-cylinder phenomena triggered by the interaction of the fluids fuel, oil, and ambient air or combustion gas are investigated by imaging. For this, laser-induced fluorescence (LIF) and the detection of natural flame luminosity are used. The investigations are performed in an optically accessible single-cylinder engine with sapphire windows inserted into the cylinder liner. The cylinder units are interchangeable and differ in the size and position of the windows.
To investigate oil transport phenomena in the oil chamfer under the oil control ring, the laser dye pyrromethene 567 is added to the lubricating oil in small concentration and is excited to fluoresce by the laser pulses of a frequency-doubled Nd:YLF laser at 527 nm. Fluorescence is detected simultaneously on the thrust- and anti-thrust side of the engine using CMOS cameras. The experiments are accompanied by three-dimensional CFD simulations, which are calibrated using the experiments and then utilized to gain additional information from the cross-section of the oil chamfer. The combined experimental-numerical approach allows the phenomena caused by inertial forces and the piston secondary motions, such as oil transport from the piston to the cylinder liner (bridging) and the formation of a circular flow in the groove, to be described in detail.
In the second part of this work, the fuel film thickness on the cylinder wall is measured by quantitative imaging at kHz repetition rates. Anisole is added to a non-fluorescent surrogate fuel as a tracer and is excited at 266 nm by the fourth harmonic of a Nd:YAG laser. Simultaneously, pyrromethene 567 in the oil is excited at 532 nm by the second harmonic of the laser. The fluorescence light is spectrally separated by a dichroic mirror and detected by two CMOS cameras, for fuel LIF in combination with an image intensifier. For absolute value calibration, a defined gap is created by pressing a convex lens against the inside of the window and the resulting radially increasing gap is filled with the fuel-tracer mixture. Two injection timings are investigated: 285 °KW and 240 °KW before ignition top dead center (bTDC). The maximum fuel film thickness is found to be similar for both injection timings with 16 μm. Interestingly, the wall film evaporates faster for the later injection, so that the fuel film thickness decreases to 8 μm for both injection timings by the time the first piston ring reaches the wall film. Scraped-off fuel accumulates on top of the first ring and is partially transported downwards to the second and third piston ring. In the simultaneous oil images, washout of lubricating oil by fuel can be seen.
In the last part of this work, flame propagation into the piston top land (TLFP) is investigated. Natural flame luminosity is imaged by a high-speed CMOS color channel camera on the anti-thrust side of the engine in the early parts of the expansion stroke. The color channels of the camera allow for a distinction of premixed and sooting regions of combustion. The two engine loads of 14 and 26,5 bar indicated mean effective pressure are compared at an engine speed of 2000 min-1. TLFP is seen in most cycles. Flame luminosity penetrates the first land as far as the first ring gap, but extinguishes here in all cycles examined. Engine knock seems to facilitate high-intensity TLFP, but is not necessary for the phenomenon to occur. In some cycles with a knock event and TLFP occurring simultaneously, the flameluminosity shows an oscillating motion inside the top land, presumably due to high-frequency pressure oscillations caused by knock.
To investigate oil transport phenomena in the oil chamfer under the oil control ring, the laser dye pyrromethene 567 is added to the lubricating oil in small concentration and is excited to fluoresce by the laser pulses of a frequency-doubled Nd:YLF laser at 527 nm. Fluorescence is detected simultaneously on the thrust- and anti-thrust side of the engine using CMOS cameras. The experiments are accompanied by three-dimensional CFD simulations, which are calibrated using the experiments and then utilized to gain additional information from the cross-section of the oil chamfer. The combined experimental-numerical approach allows the phenomena caused by inertial forces and the piston secondary motions, such as oil transport from the piston to the cylinder liner (bridging) and the formation of a circular flow in the groove, to be described in detail.
In the second part of this work, the fuel film thickness on the cylinder wall is measured by quantitative imaging at kHz repetition rates. Anisole is added to a non-fluorescent surrogate fuel as a tracer and is excited at 266 nm by the fourth harmonic of a Nd:YAG laser. Simultaneously, pyrromethene 567 in the oil is excited at 532 nm by the second harmonic of the laser. The fluorescence light is spectrally separated by a dichroic mirror and detected by two CMOS cameras, for fuel LIF in combination with an image intensifier. For absolute value calibration, a defined gap is created by pressing a convex lens against the inside of the window and the resulting radially increasing gap is filled with the fuel-tracer mixture. Two injection timings are investigated: 285 °KW and 240 °KW before ignition top dead center (bTDC). The maximum fuel film thickness is found to be similar for both injection timings with 16 μm. Interestingly, the wall film evaporates faster for the later injection, so that the fuel film thickness decreases to 8 μm for both injection timings by the time the first piston ring reaches the wall film. Scraped-off fuel accumulates on top of the first ring and is partially transported downwards to the second and third piston ring. In the simultaneous oil images, washout of lubricating oil by fuel can be seen.
In the last part of this work, flame propagation into the piston top land (TLFP) is investigated. Natural flame luminosity is imaged by a high-speed CMOS color channel camera on the anti-thrust side of the engine in the early parts of the expansion stroke. The color channels of the camera allow for a distinction of premixed and sooting regions of combustion. The two engine loads of 14 and 26,5 bar indicated mean effective pressure are compared at an engine speed of 2000 min-1. TLFP is seen in most cycles. Flame luminosity penetrates the first land as far as the first ring gap, but extinguishes here in all cycles examined. Engine knock seems to facilitate high-intensity TLFP, but is not necessary for the phenomenon to occur. In some cycles with a knock event and TLFP occurring simultaneously, the flameluminosity shows an oscillating motion inside the top land, presumably due to high-frequency pressure oscillations caused by knock.