Quantitative fluorescence imaging of the lubricating oil film near microstructures in a sliding-contact tribometer
In this work, the oil film thickness and its temperature distribution in an optical tribometer were quantitatively imaged using laser-induced fluorescence (LIF). The optical tribometer was developed as a model experiment for the sliding contact between piston-ring/cylinder liner in an internal combustion engine, and one of the contacting bodies was replaced by a transparent material for optical access.
First, the metal piston ring segment was replaced by a sapphire one to study oil films on the surfaces of the production metal liners. The oil was doped with the laser dye pyrromethene 567 and excited by an Nd:YAG laser at 532 nm. The images clearly showed different oil-filled structures of the liner surface. After an in-situ calibration and stray light correction, the minimum film thickness was quantitatively evaluated and compared to the corresponding friction coefficient. Compared to honed cast iron, the pores in a spray-coated liner retained more oil and reduced friction at higher loads.
To further investigate this beneficial oil film behavior near the pores, the cylinder liner was replaced with a glass liner and a micropore – a cylindrical depression with vertical walls – was laser-textured into its surface. The oil film thickness was imaged at a magnification of 5 using a long-distance microscope. The results showed that the pore carried oil to the starved outlet, creating a downstream “oil tail” whose morphology and volume were analyzed. Specifically, at low speed, the pore had a wider tail containing a higher volume of oil than at high speeds. This suggests that in a reciprocating engine, porosity on the liner can result in beneficial tribological behavior particularly around the piston-motion reversal points. An additional measurement using total internal reflection was performed and compared to the “standard” LIF measurement. Furthermore, the detection system with the fluorescence long-distance microscope was applied to an optical single-cylinder engine. This allowed imaging the microscopic oil film behavior within the piston assembly group from the top piston ring to the oil control ring with high magnification and resolution.
In proof-of-concept experiments using the long-distance microscope and the tribometer with a glass cylinder liner without pores, the oil film temperature was imaged using two-dye fluorescence thermometry. To this end, the oil was doped with Lumilux CD 345 and pyrromethene 597 and excited by a blue LED (excitation at about 460 nm). The time-averaged results showed physically plausible temperatures and temperature distributions, while single-shot imaging would need higher pulse energies than available from the LED.
First, the metal piston ring segment was replaced by a sapphire one to study oil films on the surfaces of the production metal liners. The oil was doped with the laser dye pyrromethene 567 and excited by an Nd:YAG laser at 532 nm. The images clearly showed different oil-filled structures of the liner surface. After an in-situ calibration and stray light correction, the minimum film thickness was quantitatively evaluated and compared to the corresponding friction coefficient. Compared to honed cast iron, the pores in a spray-coated liner retained more oil and reduced friction at higher loads.
To further investigate this beneficial oil film behavior near the pores, the cylinder liner was replaced with a glass liner and a micropore – a cylindrical depression with vertical walls – was laser-textured into its surface. The oil film thickness was imaged at a magnification of 5 using a long-distance microscope. The results showed that the pore carried oil to the starved outlet, creating a downstream “oil tail” whose morphology and volume were analyzed. Specifically, at low speed, the pore had a wider tail containing a higher volume of oil than at high speeds. This suggests that in a reciprocating engine, porosity on the liner can result in beneficial tribological behavior particularly around the piston-motion reversal points. An additional measurement using total internal reflection was performed and compared to the “standard” LIF measurement. Furthermore, the detection system with the fluorescence long-distance microscope was applied to an optical single-cylinder engine. This allowed imaging the microscopic oil film behavior within the piston assembly group from the top piston ring to the oil control ring with high magnification and resolution.
In proof-of-concept experiments using the long-distance microscope and the tribometer with a glass cylinder liner without pores, the oil film temperature was imaged using two-dye fluorescence thermometry. To this end, the oil was doped with Lumilux CD 345 and pyrromethene 597 and excited by a blue LED (excitation at about 460 nm). The time-averaged results showed physically plausible temperatures and temperature distributions, while single-shot imaging would need higher pulse energies than available from the LED.
In dieser Arbeit wurden die Ölfilmdicke und seine Temperaturverteilung in einem optischen Tribometer mittels laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) zweidimensional und quantitativ abgebildet. Das Tribometer wurde als Modellversuch für den Gleitkontakt zwischen Kolbenring und Zylinderbuchse in einem Verbrennungsmotor entwickelt und einer der Kontaktkörper wurde für einen optischen Zugang durch ein transparentes Material ersetzt.
Zunächst wurde das Metallkolbenringsegment durch ein Saphirringsegment ersetzt, um Ölfilme auf der Zylinderwand der serienmäßigen Metalzylinderbuchse zu untersuchen. Das Öl wurde mit dem Laserfarbstoff Pyrromethen 567 dotiert und mit einem Nd:YAG-Laser bei 532 nm angeregt. Die Bilder zeigten verschiedene ölgefüllte Strukturen der Zylinderwand. Nach einer In-situ-Kalibrierung und Streulichtkorrektur wurde die minimale Ölfilmdicke quantitativ ausgewertet und mit dem entsprechenden Reibungskoeffizienten verglichen. Im Vergleich zur geschliffenen Grauguss-Zylinderwand banden die Poren auf der thermisch gespritzten Zylinderwand mehr Öl und reduzierten die Reibung bei höheren Belastungen.
Um dieses vorteilhafte Verhalten des Ölfilms in der Nähe der Poren genauer zu untersuchen, wurde im nächsten Schritt die metallische Zylinderbuchse durch eine Glaszylinderbuchse ersetzt und in ihre Oberfläche eine Mikropore – eine zylindrische Vertiefung mit vertikalen Wänden – lasertexturiert. Der Ölfilm wurde mit einem Fluoreszenzfernfeldmikroskop bei einer Vergrößerung von 5 quantitativ abgebildet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Pore Öl zum ausgehungerten Auslass transportierte und einen stromabwärts gelegenen „Ölschweif“ bildete, dessen Morphologie und Volumen analysiert wurden. Insbesondere wies die Pore bei niedrigen Geschwindigkeiten einen breiteren Ölschweif auf, der ein höheres Ölvolumen enthielt als bei hohen Geschwindigkeiten. Dies legte nahe, dass bei einem Hubkolbenmotor die Porosität der Zylinderbuchse zu einem vorteilhaften tribologischen Verhalten führen kann, vor allem im Bereich der Umkehrpunkte der Kolbenbewegung. Eine zusätzliche Totalreflexions-messung wurde dann mit der LIF-Standardmessung verglichen. Das Detektionssystem wurde weiterhin mit dem Fernfeldmikroskop auf einen optischen Einzylindermotor angewendet und ermöglichte die Abbildung des mikroskopischen Ölfilmverhaltens innerhalb der Kolbengruppe vom oberen Kolbenring bis zum Ölabstreifring mit hoher Vergrößerung und Auflösung.
Unter Verwendung des Fernfeldmikroskops und des Tribometers, das mit einer Glaszylinderbuchse ohne Pore ausgestattet war, wurde die Ölfilmtemperatur als Proof-of-Concept-Messung mittels Zweifarbstoff-Fluoreszenzthermometrie abgebildet. Das Öl wurde mit Lumilux CD 345 und Pyrromethen 597 dotiert und durch eine blaue LED (bei ca. 460 nm) angeregt. Die über die Zeit gemittelten Ergebnisse zeigten physikalisch plausible Temperaturverteilungen, während für die Einzelbildaufnahme höhere Pulsenergien erforderlich wären, als sie die LED bietet.
Zunächst wurde das Metallkolbenringsegment durch ein Saphirringsegment ersetzt, um Ölfilme auf der Zylinderwand der serienmäßigen Metalzylinderbuchse zu untersuchen. Das Öl wurde mit dem Laserfarbstoff Pyrromethen 567 dotiert und mit einem Nd:YAG-Laser bei 532 nm angeregt. Die Bilder zeigten verschiedene ölgefüllte Strukturen der Zylinderwand. Nach einer In-situ-Kalibrierung und Streulichtkorrektur wurde die minimale Ölfilmdicke quantitativ ausgewertet und mit dem entsprechenden Reibungskoeffizienten verglichen. Im Vergleich zur geschliffenen Grauguss-Zylinderwand banden die Poren auf der thermisch gespritzten Zylinderwand mehr Öl und reduzierten die Reibung bei höheren Belastungen.
Um dieses vorteilhafte Verhalten des Ölfilms in der Nähe der Poren genauer zu untersuchen, wurde im nächsten Schritt die metallische Zylinderbuchse durch eine Glaszylinderbuchse ersetzt und in ihre Oberfläche eine Mikropore – eine zylindrische Vertiefung mit vertikalen Wänden – lasertexturiert. Der Ölfilm wurde mit einem Fluoreszenzfernfeldmikroskop bei einer Vergrößerung von 5 quantitativ abgebildet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Pore Öl zum ausgehungerten Auslass transportierte und einen stromabwärts gelegenen „Ölschweif“ bildete, dessen Morphologie und Volumen analysiert wurden. Insbesondere wies die Pore bei niedrigen Geschwindigkeiten einen breiteren Ölschweif auf, der ein höheres Ölvolumen enthielt als bei hohen Geschwindigkeiten. Dies legte nahe, dass bei einem Hubkolbenmotor die Porosität der Zylinderbuchse zu einem vorteilhaften tribologischen Verhalten führen kann, vor allem im Bereich der Umkehrpunkte der Kolbenbewegung. Eine zusätzliche Totalreflexions-messung wurde dann mit der LIF-Standardmessung verglichen. Das Detektionssystem wurde weiterhin mit dem Fernfeldmikroskop auf einen optischen Einzylindermotor angewendet und ermöglichte die Abbildung des mikroskopischen Ölfilmverhaltens innerhalb der Kolbengruppe vom oberen Kolbenring bis zum Ölabstreifring mit hoher Vergrößerung und Auflösung.
Unter Verwendung des Fernfeldmikroskops und des Tribometers, das mit einer Glaszylinderbuchse ohne Pore ausgestattet war, wurde die Ölfilmtemperatur als Proof-of-Concept-Messung mittels Zweifarbstoff-Fluoreszenzthermometrie abgebildet. Das Öl wurde mit Lumilux CD 345 und Pyrromethen 597 dotiert und durch eine blaue LED (bei ca. 460 nm) angeregt. Die über die Zeit gemittelten Ergebnisse zeigten physikalisch plausible Temperaturverteilungen, während für die Einzelbildaufnahme höhere Pulsenergien erforderlich wären, als sie die LED bietet.