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Analysis of in-cylinder processes of an internal combustion engine with direct-injection using high-speed laser diagnostics

Müller, Sebastian H.R. :
Analysis of in-cylinder processes of an internal combustion engine with direct-injection using high-speed laser diagnostics.
TU Darmstadt, Darmstadt, Deutschland
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Analysis of in-cylinder processes of an internal combustion engine with direct-injection using high-speed laser diagnostics
Language: English
Abstract:

This thesis describes and characterizes the in-cylinder processes of an internal combustion engine with direct-injection using high-speed laser diagnostics. The main goal is to further increase the understanding of the underlying physical and chemical processes within the cylinder, hence to increase the efficiency and reduce fuel consumption as well as exhaust gas emissions.

A single cylinder research engine was equipped with a quartz glass ring mounted between the cylinder head and liner enabling a clear view of the in-cylinder processes. Planar imaging techniques were used to record the flow field, the fuel distribution as well as the flame propagation during the compression stroke inside the cylinder. All experiments were performed at a repetition rate of 6 kHz, allowing the recording of sequential crank angles (one image per crank angle at 1000 rpm) and multiple consecutive engine cycles. Each experiment focused on a single process (flow field, spray/flow field interaction, fuel distribution, and flame kernel development) as they were decoupled. In addition, statistical tools (e.g. the kinetic energy) were used to identify cycle-to-cycle variations and their individual distinctiveness. The individual error sources of the experiments were also addressed.

The results are arranged according to their individual recording range. First, the flow field was recorded from 180° (bottom dead center) to 60° before top dead center using high-speed three-component stereoscopic particle image velocimetry. In contrast to conventional two-component particle image velocimetry, all three velocity components of the flow field were obtained within a single plane. Different parametric influences (charge motions tumble, swirl, and neutral as well as different engine speeds) were analyzed systematically by calculating the kinetic and turbulent kinetic energy. Additionally, the influence of the out-of-plane component with the different charge motions was investigated. Here, the assumption of an isotropic velocity distribution showed the directionality of the fluctuating velocities to be more uniform than expected.

The interaction of the flow field with the fuel injection was investigated by imaging the flow field using high-speed two-component particle image velocimetry and the subsequent spray injection in a single recording. Analyzing this, the influence of the flow field to the deformation of the spray was investigated statistically. Secondly, the fuel distribution within the cylinder using the direct-injection system was analyzed with laser-induced fluorescence in order to identify inhomogeneities. A calibration procedure to determine fuel distribution anomalies was developed. Additionally, the fuel deposits on top of the piston crown and their cycle dependent evaporation process super positioned by the convective and diffusion processes was also recorded.

Finally, the flame kernel development was investigated by recording the transient motion of the intermediate OH-radicals occurring in the flame front. Single cycle recordings of the flame kernel area were correlated to the simultaneously recorded pressure signal. The influence of synthetic exhaust gas recirculation on the flame kernel development was also analyzed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit beschreibt und charakterisiert die Prozesse innerhalb eines Ottomotorzylinders mit Benzindirekteinspritzung mittels Hochgeschwindigkeitslaserdiagnostik. Hauptziel der Experimente ist ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb des Zylinders zu erreichen und dadurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades sowie einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Abgasmenge. In einem einzylindrischen Versuchsmotor mit eingebautem Quarzglassring zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf wurden planare Bildgebungsmethoden einsetzt, um die Prozesse innerhalb des Zylinders aufzunehmen. Speziell das Strömungsgeschwindigkeitsfeld, die Kraftstoffverteilung sowie die Ausbreitung des Flammenkerns während der Kompressionsphase wurden untersucht. Alle Experimente wurden mit einer Wiederholrate von 6 kHz aufgenommen, was eine Aufnahme von Einzelbildsequenzen (ein Bild pro Kurbelgradwinkel bei 1000 U/min) und mehreren sequentiellen Zyklen ermöglichte. In jedem Experiment wurde ein Einzelprozess isoliert (Strömungsgeschwindigkeitsfeld, Interaktion Spray/Strömungsfeld, Kraftstoffverteilung, Ausbreitung des Flammenkerns), um eine entkoppelte Betrachtung zu ermöglichen. Zusätzlich wurden statistische Methoden (z.B. kinetische Energie) eingesetzt, um die individuellen Merkmale der Zyklusschwankungen zu identifizieren. Zu jedem Experiment wurden die möglichen Fehlerquellen betrachtet. Als erstes wurde das Strömungsgeschwindigkeitsfeld von 180° (unterer Todpunkt) bis 60° vor oberem Todpunkt mittels drei-Komponenten Hochgeschwindigkeits-Particle-Image-Velocimetry aufgenommen. Im Gegensatz zu konventionellem zwei-Komponenten Particle-Image-Velocimetry wurden dabei alle Geschwindigkeitskomponenten in einer Ebene aufgezeichnet. Verschiedene Parametereinflüsse (Ladungsbewegung tumble, swirl, neutral, sowie unterschiedliche Drehzahlen) wurden systematisch mit der Berechnung der kinetischen und turbulenten kinetischen Energie analysiert. Der Einfluss der out-of-plane Geschwindigkeitskomponente wurde mit unterschiedlichen Ladungsbewegungen analysiert. Die Annahme einer isotropen Geschwindigkeitsverteilung ergab, dass die Richtungs-abhängigkeit der fluktuierenden Geschwindigkeiten homogener verteilt ist als angenommen. Die Interaktion zwischen Kraftstoffverteilung und Ladungsbewegung wurde mit zwei-Komponenten-Hochgeschwindigkeits-Particle-Image-Velocimetry untersucht. Die Einzelzyklen beinhalten dabei das Geschwindigkeitsfeld sowie die anschließende Kraftstoffeinspritzung (Schichtbetrieb). Der Einfluss der Ladungsbewegung auf die Deformation des Sprays wurde statistisch analysiert. Als zweites wurde die Kraftstoffverteilung innerhalb des Zylinders mittels laser-induzierter Fluoreszenz aufgenommen, um Inhomogenitäten zu identifizeren. Des Weiteren wurden die Kraftstoffablagerungen oberhalb des Kolbens sowie deren zyklusabhängige Verdampfungsprozesse mit überlagerten Konvektiven- und Diffusionsprozessen untersucht. Zuletzt wurde die Ausbreitung des Flammenkerns mittels Aufnahmen der intermediären OH-Radikalen der Flammenfront untersucht. Einzelzyklusaufnahmen des Flammenkerns wurden mit dem simultan aufgenommenen Druckverlauf korreliert. Der Einfluss von synthetischer Abgasrückführung auf die Flammenkernentwicklung wurde zusätzlich analysiert.German
Place of Publication: Darmstadt, Deutschland
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Engine laser diagnostics, high-speed particle image velocimetry, high-speed OH-PLIF, planar laser induced fluorescence, optically accessible combustion engineEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Zentrale Einrichtungen > Center of Smart Interfaces (CSI) > FG3 Reactive Flows and Diagnostics
Date Deposited: 15 Jun 2012 13:05
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29367
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Sick, Prof. Dr. Volker
Refereed: 20 January 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2936
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