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Laseroptische Analyse der zyklischen Schwankungen in einem Transparentmotor

Buschbeck, Martin :
Laseroptische Analyse der zyklischen Schwankungen in einem Transparentmotor.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Laseroptische Analyse der zyklischen Schwankungen in einem Transparentmotor
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Problem der zyklischen Schwankungen in Verbrennungsmotoren untersucht. Potentielle Ursachen der zyklischen Schwankungen im Verbrennungsprozess sind Fluktuationen im Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambda) und Schwankungen in der Brennraumströmung. Diese Einflussgrößen wurden mithilfe laseroptischer Messtechniken in einem optisch zugänglichen Ottomotor umfassend analysiert. Zudem wurde ein Mehrortzündkonzept, welches eine aussichtsreiche Methode zur Reduzierung der zyklischen Schwankungen darstellt, implementiert und ausführlich bewertet.

Zur Analyse des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses am Zündort wurde die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) verwendet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass LIBS zur punktuellen Lambda-Bestimmung in Verbrennungsmotoren eine sehr geeignete Messtechnik ist. Durch Vergleich mit dem Zylinderdruckverlauf wurde der Einfluss der Lambda-Schwankungen auf den Verbrennungsprozess bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fluktuationen des lokalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses am Zündort nicht die Hauptursache für die zyklischen Schwankungen im Verbrennungsprozess sind.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Brennraumströmung mithilfe der Hochgeschwindigkeits-Particle Image Velocimetry (HS-PIV) untersucht. Der Einsatz von Feststoffpartikeln (Graphit) als Tracer ermöglichte Messungen während des oberen Totpunkts (ZOT), der Kraftstoffeinspritzung und der Verbrennung selbst. Allgemein wurden im Strömungsfeld große Schwankungen von Zyklus zu Zyklus beobachtet. Die zyklischen Schwankungen wurden visualisiert und mithilfe quantitativer Kenngrößen analysiert. Um den Einfluss der zyklischen Schwankungen auf den Verbrennungsprozess zu bewerten, wurde der Motor gefeuert betrieben. Zudem wurde in einem modifizierten Versuchsaufbau das Flammeneigenleuchten simultan zum Strömungsfeld aufgezeichnet. Durch diese Messungen konnte die Brennraumströmung als Hauptursache für die zyklischen Schwankungen im Verbrennungsprozess identifiziert werden. So konnte bei stöchiometrischem Motorbetrieb ein ausgeprägter Zusammenhang zwischen der kinetischen Energie im Strömungsfeld und der Dauer der Verbrennung beobachtet werden. Bei magerem Motorbetrieb wurde zudem eine makroskopische Bewegung des Flammkerns, welche durch die Brennraumströmung hervorgerufen wird, festgestellt. Diese kann zu günstigen oder ungünstigen Bedingungen für die Flammenausbreitung führen und verursacht somit zusätzliche zyklische Schwankungen im Verbrennungsprozess. Dieser Effekt ist insbesondere bei magerem Motorbetrieb dominant, da hier aufgrund der längeren Brenndauer das Zeitfenster für einen makroskopischen Flammkerntransport groß ist.

Abschließend wurde untersucht, inwiefern Mehrortzündkonzepte den zuvor identifizierten Einfluss der Strömungsschwankungen auf die Verbrennung reduzieren. Hierbei wurden zur Erzeugung der Zündorte laserinduzierte Plasmen verwendet, wodurch bis zu drei Zündorte im Brennraum generiert werden konnten. Sowohl die Visualisierung der Flammenausbreitung als auch der Verlauf des Zylinderdrucks bestätigen, dass es durch die multiplen Zündorte zu einer deutlich kürzeren Brenndauer kommt. Zudem wurde gezeigt, dass die Mehrortzündung eine sehr wirkungsvolle Möglichkeit zur Reduzierung der zyklischen Schwankungen im Verbrennungsprozess ist. So konnte aufgrund der kürzeren Brenndauer bei der Mehrortzündung der Magerbetrieb deutlich ausgeweitet werden. Hierdurch konnte ein homogen-mageres Brennverfahren realisiert werden, wodurch eine Ersparnis im Kraftstoffverbrauch bei sehr geringen Stickoxid-Emissionen erreicht wurde.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Cycle-to-cycle fluctuations in the combustion process in a gasoline engine play a detrimental role for the thermodynamic efficiency and hence increase the fuel consumption. Fluctuations in the air-fuel-ratio (lambda) and variations in the in-cylinder flow field are possible sources of these cycle-to-cycle variations. The aim of this work is to analyze these quantities by laser diagnostics in an optically accessible engine. Moreover, a multi-point ignition system as a promising concept to reduce cycle-to-cycle variations is implemented and evaluated. The first part of this thesis focuses on measurements of the local air-fuel-ratio. Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) serves to determine local lambda values at the ignition location. The technique enables measurements of lambda variations for different fuel injection strategies. Additionally, the measurements facilitate the analysis of correlations between lambda variations and the combustion dynamics. We observe, that lambda fluctuations are not the major source for cycle-to-cycle variations in the combustion process. The second part of this thesis deals with the analysis of the in-cylinder flow field by high-speed particle image velocimetry (PIV). The PIV setup involves solid particles as tracers, which permits measurements at firing top dead center, during fuel injection and during the combustion process itself. The data exhibit significant cycle-to-cycle variations of the flow field. The kinetic energy, turbulent kinetic energy, tumble ratio and tumble center location serve to characterize these variations. Measurements in fired engine operation enable studies on the effect of such fluctuations upon the combustion process. As a small extension of the PIV setup, the motion of the combustion flame is imaged simultaneously to the flow field. We find, that at stoichiometric operation variations in the kinetic energy of the flow field are the major source for cycle-to-cycle variations of the combustion process. At lean operation, the flow field induces a considerable macroscopic motion of the flame kernel, which significantly affects the combustion speed. Thus, at lean operation, it is mainly the large-scale flow structure which leads to cycle-to-cycle variations in the combustion process. Variations of the kinetic energy are of minor importance in this case. In order to reduce the cycle-to-cycle variations of the combustion process, we apply and evaluate a multi-point ignition system. Laser induced ignition drives up to three spatially separated ignition locations. The multiple ignition locations lead to a significantly faster combustion and lower cycle-to-cycle fluctuations. In particular, at lean operation, the faster combustion reduces the time for macroscopic variations of the flame by the flow field. This effect extends the lean combustion limit considerably, enabling a homogeneous lean combustion process. As an advantage of the lean combustion, we get a smaller fuel consumption and very low NOx emissions. Thus, multi-point ignition reduces the cycle-to-cycle variations of the combustion process significantly, and hence yields advantages for engine operation. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 29 Apr 2013 14:18
Last Modified: 29 Apr 2013 14:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33796
Referees: Halfmann, Prof. Dr. Thomas and Dreizler, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 11 February 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3379
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