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Infrarotmesstechniken in der Otto-Motoren-Forschung

Golzke, Hendrik :
Infrarotmesstechniken in der Otto-Motoren-Forschung.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Infrarotmesstechniken in der Otto-Motoren-Forschung
Language: German
Abstract:

Die Abnahme der weltweiten Ölvorräte und die zunehmende Erwärmung unserer Erdatmosphäre stellen aktuelle Mobilitätskonzepte vor eine große Herausforderung. Eine Effizienzsteigerung von Otto-Motoren kann mittelfristig für eine Lösung sorgen und Wissenschaft und Industrie mehr Zeit bei der Entwicklung von Alternativen einräumen. Methoden, die die Effizienz von Otto-Motoren steigern können, wie zum Beispiel die Benzindirekteinspritzung, sorgen für einen größeren Aufwand bei der Motorenentwicklung. Damit Entwicklungszyklen trotzdem schnell und kostengünstig gehalten werden, müssen experimentelle Tests durch Simulationen ersetzt werden. Diese Arbeit liefert mit der Kombination von Infrarot-Diagnostik und Themen der Motorenentwicklung neue Techniken zum Abgleich von Simulation und Experiment und trägt damit zur Verbesserung der Voraussagekraft von strömungsmechanischen Rechnungen bei.

Es wird dazu ein verbessertes differentielles Infrarotthermographie-Verfahren zur Temperaturmessung von Sprays anhand ihrer thermischen Strahlung vorgestellt. Gerade bei der Bewertung des Phasenübergangs ist es essentiell, die auftretenden Temperaturen korrekt vorherzusagen. Die Aufnahme mehrerer Referenztemperaturen und die Einführung einer mehrstufigen Kalibrierung erhöhen die Genauigkeit des Verfahrens und die Geschwindigkeit mit der es durchgeführt werden kann.

Neben der Anwendung der differentiellen Infrarotthermographie an Sprays wird auch erstmals eine numerische Strömungsmechaniksimulation mit anschließendem Ray-Tracing dazu benutzt, die Aussagekraft der Temperaturmessungen zu bewerten und den Einfluss von Störgrößen vorhersagen zu können. Hierbei wird insbesondere der Beitrag von Streuung zur gemessenen Temperatur bewertet und dargelegt. Streuung sorgt bei Messungen an Sprays für einen systematischen Fehler der gemessenen Temperatur in Richtung der Temperatur der Wände der Spraykammer. Dies bedeutet, dass auch Messungen eines Sprays in einer gekühlten Kammer Abweichungen der gemessenen und realen Spray-Temperatur aufweisen. Dieser Fehler kann durch eine Angleichung von Wand- an Spraytemperatur oder durch einen Wellenlängenfilter minimiert werden.

Desweiteren wird zum ersten Mal das Verfahren der differentiellen Infrarotthermographie zur Messung der Temperaturverteilung von Methaneinblasungen genutzt. Hierbei gibt es aufgrund der sich stark mit der Wellenlänge ändernden Emissivität von Methan einige Besonderheiten zu beachten. In der Arbeit wird gezeigt, dass trotzdem eine Temperaturmessung möglich ist und im Vergleich mit etablierten Verfahren zur kontaktlosen Temperaturmessung an Gasen, wie der laserinduzierten Fluoreszenz, ähnliche Werte liefert.

Zusätzlich wird eine neue Methode zur zweidimensionalen Visualisierung der Mischung von Abgas und Frischluft im Zylinder eines Otto-Motors vorgestellt. Als Messmethode dient dazu die Absorption von Nahinfrarotlicht einer Wellenlänge. Für die Vorhersage der Zündfähigkeit eines Gemisches ist es wichtig, den Anteil und die räumliche Verteilung des Abgases im Zylinder zu kennen. Dabei wird nicht ein möglichst genaues Verfahren entwickelt, sondern ein Verfahren mit möglichst einfacher und robuster zweidimensional aufgelöster Visualisierung erreicht. Ein Vergleich mit der laserinduzierten Fluoreszenz, einem der momentanen Standards zur Visualisierung des Abgas-Luft-Gemisches, rundet die Bewertung des Verfahrens ab. Auch hier wird nachgewiesen, dass das neuartige und das klassische Verfahren ähnliche Werte liefern. Die systematischen Fehler einer quantitativen Messung des Anteils an Abgas für die Infrarotabsorption sind kleiner als bei der laserinduzierten Fluoreszenz, denn das Verfahren hat den Vorteil ohne Tracer auszukommen und direkt auf die Menge an Abgas empfindlich zu sein.

Auf unterschiedlichste Weise können so die Vorteile und die Grenzen von Infrarotmesstechniken in der Otto-Motoren-Forschung gezeigt werden. Der Weiterentwicklung und Bewertung von Messmethoden gilt dabei der Fokus dieser Arbeit.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The decrease of the global oil reserves and the ongoing temperature rise of our atmosphere, poses a challenge for current mobility concepts. An efficiency increase of spark-ignition engines would provide a mid-term solution. It would buy scientists and engineers more time to develop alternatives. Methods that could increase the efficiency, such as gasoline direct injection, increase the development effort for engines. Thus, experimental tests have to be replaced by simulations in order to keep development cycles short and inexpensive. This work combines infrared diagnosis with engine research to create new procedures for a comparison of experiment and simulation. Thereby the forecasting power of computational fluid-dynamics can be increased in future applications. An improved differential infrared thermography method for the temperature measurements of sprays based on their thermal radiation is introduced to improve the experimental knowledge of the spray. Especially for the evaluation of evaporation it is essential to predict the correct temperature. The evaluation of multiple reference temperatures and the introduction of a multi-step calibration increase the accuracy and precision of the technique and decrease the measurement time. Besides the application of differential infrared thermography to sprays, computational fluid-dynamics with subsequent ray tracing is used to assess temperature measurements. Additionally, this can be used to predict the influence of disturbance variables. Especially the influence of scattering on the measured temperature is evaluated and explained. For spray measurements, scattering causes a systematic error of the determined temperature towards the wall temperature of the pressure chamber. This error can be minimised by minimising the temperature difference or by the selection of an appropriate wavelength filter. Furthermore, differential infrared thermography is used for the first time to measure temperature distributions within methane injections. The thermography of methane has some special features that need to be taken in consideration due to strong dependence of the emissivity on the wavelength. Within the thesis, it is shown that temperature measurements are nevertheless feasible. Differential infrared thermography obtains similar results as for established contactless temperature measurements of gases such as laser-induced fluorescence. A new method to visualise two-dimensional mixtures of exhaust gasses and fresh air within the cylinder of a spark-ignition engine is presented. The measurement is based on the absorption of near infrared radiation of a single wavelength. In order to predict the ignitability, it is important to know the ratio and distribution of exhaust gas within the cylinder. Rather than aiming for high accuracy and precision, the experimental method is designed to be robust at two-dimensional visualisation and easily set-up. A comparison to laser-induced fluorescence - the current standard to visualise exhaust-air-mixtures - complements the evaluation of the measurement principle. It is shown that the new and traditional technique yield similar values. The systematic errors in quantitative measurements are lower for infrared absorption than for laser-induced fluorescence, because the former does not need a tracer and is directly sensitive on the exhaust gas. The advantages of infrared measurements methods can be shown in various aspects of spark-ignition research. This thesis is focussed on the development and evaluation of corresponding measurements techniques.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: DIT, Infrarot, Absorption, Differentielle Infrarotthermographie, Benzindirekteinspritzung
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays
Date Deposited: 07 Sep 2016 07:40
Last Modified: 07 Sep 2016 07:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55941
Referees: Dreizler, Prof. Andreas and Kneer, Prof. Reinhold
Refereed: 5 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5594
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