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In-situ-Laserabsorptionsspektroskopie zur µs-schnellen Bestimmung von Spezieskonzentrationen und Temperaturen in Verbrennungsmotoren

Witzel, Oliver :
In-situ-Laserabsorptionsspektroskopie zur µs-schnellen Bestimmung von Spezieskonzentrationen und Temperaturen in Verbrennungsmotoren.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: In-situ-Laserabsorptionsspektroskopie zur µs-schnellen Bestimmung von Spezieskonzentrationen und Temperaturen in Verbrennungsmotoren
Language: German
Abstract:

Optische Messsysteme zur Gasanalyse bei Verbrennungsmotoren bieten durch die Möglichkeit einer schnellen berührungsfreien Untersuchung großes Potenzial zur Optimierung des Verbrennungsprozesses und emissionsreduzierender Verfahren wie beispielsweise der Abgasrückführung (AGR). Für die Optimierung der AGR wird eine Gasanalyse durch transportable Spektrometer benötigt, die ohne aufwendige und fehleranfällige Kalibrationen auskommen. Die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) bietet durch den Einsatz abstimmbarer Diodenlaser eine probenahme- und kalibrationsfreie In-situ-Bestimmung absoluter Gasspezieskonzentrationen und Gastemperaturen. Transmissionsschwankungen und zusätzliche Hintergrundemission können zudem direkt mit dem gemessenen Signal bestimmt und korrigiert werden. Durch die ausgezeichneten Voraussetzungen von TDLAS für die innermotorische Gasanalyse wurden in dieser Arbeit mehrere TDLAS-Spektrometer entwickelt, die eine Bestimmung der H2O-Konzentration und Gastemperatur mit Zeitauflösungen von bis zu 33 µs direkt im Brennraum ermöglichen. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren erfolgte die Bestimmung der Konzentration und der Temperatur ohne Probenahme und Kalibrierung, rein aus Messgrößen und spektroskopischen Daten. Dafür wurde ein Teil dieser benötigten spektroskopischen Daten experimentell bestimmt. Anschließend fand eine Validierung der Leistungsfähigkeit der Spektrometer sowohl an beheizbaren Hochdruckzellen unter Laborbedingungen als auch unter Realbedingungen an zwei Einzylinderforschungsmotoren statt. Zum Einsatz kamen drei unterschiedliche Laser, Distributed Feedback Diodenlaser (DFB-DL) und Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) bei 1370 nm respektive 1392 nm. Gleichzeitig wurde eine ausführliche Untersuchung der Einsetzbarkeit und der Vorteile beider Lasersysteme durchgeführt. Bei den Einzylindermotoren und Drehzahlen von 800–2000 1/min konnte eine Kurbelwinkelauflösung von unter 1° KW in einem untersuchten Temperatur- und Druckbereich von 300–1750 K bzw. 0,05–0,8 MPa erreicht werden, so dass eine zeitlich hochaufgelöste Untersuchung des gesamten Motorzyklus mit Ausnahme der Verbrennung möglich wurde. H2O-Konzentrationen zwischen 500 und 116000 ppm bei Detektionsgrenzen von 130 ppm zu Beginn der Kompressionsphase zeigen den großen Dynamikbereich, der mit den Spektrometern erreicht werden kann. Im Vergleich zu bisherigen Messtechniken können mehrere hundert direkt aufeinanderfolgende Motorzyklen einzeln untersucht werden, um sowohl intra- als auch interzyklische Schwankungen der AGR-Rate zu bestimmen. Des Weiteren gelang der Einsatz an einem BMW-Serienmotor bei Drehzahlen bis 3600 1/min. Zur Nutzung der verfügbaren optischen Zugänge wurde eine faser-optische Schnittstelle entwickelt, die eine Umlenkung des Laserstrahls direkt im Brennraum erlaubt. Messungen bis −100° KW in der frühen Phase der Kompression ermöglichten einen Vergleich der H2OKonzentration mit Ergebnissen aus vorhandenen null- und eindimensionalen Modellen zur Simulation der AGR-Rate. Durch die signifikanten Abweichungen der Modelle untereinander verdeutlicht sich die Notwendigkeit einer unabhängigen Messtechnik zum besseren Verständnis, zur Optimierung und zur Validierung von Simulationsmodellen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Due to fast and contact-free measurement optical sensors offers powerful advantages in gas analysis for combustion engines investigations. These were used for optimization of combustion processes and emission reducing techniques e.g. exhaust gas recirculation (EGR). For the optimization of EGR a portable spectrometer is required, which is not depending on time consuming calibrations. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) provides these sampling- and calibration-free in situ measurements of absolute gas species concentration and temperatures. Variations in transmission and background emission can be determined and corrected directly with the measured signal. Because TDLAS provides excellent conditions for the in-cylinder gas analysis several TDLAS-based spectrometers were developed to determine the H2O concentration and gas temperature with temporal resolutions down to 33 µs directly in the combustion chamber. Contrary to previous techniques the concentration and temperature can be determined only by the measured signal and spectroscopic data without sampling and calibration. Therefore parts of the required spectroscopic data were determined experimentally. The performance of the spectrometer was validated under lab conditions at a heatable high pressure cell as well as under real conditions in two single cylinder research engines. These measurements were performed with three different lasers, distributed feedback laser diode (DFB-DL), and vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) at 1370 nm and 1392 nm, respectively. At the same time a detailed study of the feasibility and the advantages of both laser systems was performed. For the single-cylinder engines and a speed of 800–2000 rpm, a crank angle resolution of less than one crank angle degree (CAD) was achieved in a temperature and pressure range from 300–1750 K and 0.05–0.8 MPa, respectively. This allows a high time-resolved investigation of the entire engine cycle with the exception of the combustion itself. H2O concentrations from 500–116000 ppm with detection limits of 130 ppm at the beginning of the compression phase show the wide dynamic range of the spectrometers. Compared with previous measurement techniques several hundred consecutive engine cycles can be examined individually to determine both intra- and inter-cycle fluctuations in the EGR rate. Furthermore, measurements of the spectrometer were performed at a BMW production engine at speeds up to 3600 rpm. To use the available optical access posts a fiber-optic interface has been developed which allows a deflection of the laser beam directly in the combustion chamber. Measurements up to −100 CAD in the early compression phase allow a comparison of the measured H2O concentration with results from existing zero- and one-dimensional models for simulations of the EGR rate. The significant differences between the theoretical models among themselves indicated the need for an independent measurement technique for better understanding, optimization, and validation of theoretical models.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Spektroskopie, TDLAS, Laser, Verbrennunsgmotor, Verbrennungsdiagnostik,
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
spectroscopy, laser, IC engine, combustion diagnosticsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
Date Deposited: 30 Jan 2014 10:57
Last Modified: 30 Jan 2014 10:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37453
Referees: Ebert, Prof. Dr. Volker
Refereed: 20 November 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3745
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