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Innermotorische Partikelgrößenbestimmung mit der Methode der zweidimensionalen zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz

Maier, Axel (2022):
Innermotorische Partikelgrößenbestimmung mit der Methode der zweidimensionalen zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019677,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Innermotorische Partikelgrößenbestimmung mit der Methode der zweidimensionalen zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz
Language: German
Abstract:

In dieser Dissertation wurde die Methode der zweidimensionalen zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz (2D-TiRe-LII) für die Partikelgrößenbestimmung in einem optisch zugänglichen Einzylinder-Ottomotor eingesetzt. Bei der LII-Messtechnik werden Rußpartikel mittels eines Laserpuls nahe an die Sublimationstemperatur erhitzt und die resultierende Schwarzkörperstrahlung mit Sensoren aufgenommen. Bei der Methode der TiRe-LII werden typischerweise Signale, die aus sehr kleinen, annähernd punktförmigen Detektionsvolumen stammen mittels Photomultiplier zur Aufnahme des zeitaufgelösten LII-Signals benutzt. Um den im Vergleich zu Standard-Brennern erschwerten Randbedingungen in einem gefeuerten Motor gerecht zu werden, wurden folgende Maßnahmen getroffen: Zur Bildaufnahme wurde eine Kamera eingesetzt, in der das Bild mittels Strahlteiler auf acht unabhängige bildverstärkte CCD-Sensoren gelenkt wird. Da die einzelnen Kanäle unabhängig voneinander angesteuert werden, kann die sehr schnell abklingende Lumineszenz der Partikel zeitlich aufgelöst werden. Es wurde auf ein in der LII-Forschung bewährtes Modell zur Berechnung der Partikelgrößen gesetzt. In das Modell geht die örtlich aufgelöste Laserfluenz ein, die beim Einsatz am optisch zugänglichen Motor nicht mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden kann. Das Modell wurde deswegen mittels Zwei-Farben-Pyrometrie ergänzt, denn die damit gemessene Spitzentemperatur der Partikel nach Absorption des Laserpulses kann alternativ zur Laserfluenz verwendet werden. Optische Motoren verfügen über einen Kolbenring aus Graphit ohne Ölschmierung zur Schonung der optischen Zugänge. Folglich können Partikel in optischen Motoren ausschließlich aus der Verbrennung des Kraftstoffs und nicht als Rückstand oder Asche aus der Verbrennung des Motoröls entstehen. Um sicherzustellen, dass am optischen Motor gewonnene Erkenntnisse über Partikel auf thermodynamische Motoren übertragbar sind, wurde ein konventioneller Einzylinder-Ottomotor auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet. Ohne Kohlenstoff im Kraftstoff verbleiben als Partikelquellen nur Abrieb und Motoröl, und mittels Vergleich zum Betrieb mit Benzin kann festgestellt werden, welcher Anteil der Partikel aus der Verbrennung des Benzins stammt. Der experimentelle Versuchsaufbau wurde an zwei gut erforschten Standardbrennern optimiert und validiert. Der McKenna-Brenner erzeugt eine sehr stabile, homogene und rußarme Flamme, während am Gülder-Brenner eine stark inhomogene Diffusionsflamme studiert werden kann. Die Versuchsergebnisse und ihr Vergleich mit Literaturwerten belegen die Einzelschussfähigkeit des experimentellen Aufbaus, legen aber auch Schwächen wie ein sehr geringes Signal-Rausch-Verhältnis offen. Die Kraftstoffstudie am optischen Motor zeigte eine geringe Anzahl an auswertbarem Signal. Die am optischen Motor durchgeführten Versuche belegen die prinzipielle Eignung des messtechnischen Konzeptes und zeigen, dass Partikelentstehung von Zyklus-zu-Zyklus sehr unterschiedlich ablaufen kann. Allerdings reichte die Datenbasis nicht aus, um Zusammenhänge zwischen Partikelmengen und -größen sowie bekannten motorischen Einflussgrößen wie der Kraftstoffzusammensetzung wiederzufinden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In this thesis the method of the two-dimensional time-resolved laser-induced Incandescence (2D-TiRe-LII) was used for the particle size determination in a single cylinder gasoline engine with optical access. LII uses the black body radiation of particles that have been heated up to the sublimation temperature. With the method of the TiRe-LII, radiation signals are typically monitored by photomultipliers. To adapt for the complex boundary conditions in a fired engine, in comparison to standard burners, the following measures were taken: A high-speed camera with eight ICCD systems was used to measure the two-dimensional radiation signals. The ICCD sensors could be triggered independently and were mapped by beam splitters. A well-known LII model was used to calculate particle sizes from the LII signal decay. The model was extended such that the input parameters of the local laser fluence was substituted by the direct measurement of the peak temperature at the time of the laser pulse. The method of two-color-pyrometry was used to determine the temperatures. That is why two of the eight ICCD sensor were equipped with bandpass filters. Optical engines use piston rings made of graphite and have no oil lubrication. Consequently, the particle originates purely out of the combustion of the fuel. The possible influence of particles in an oil-lubricated engine that origin from burnt oil was researched. A conventional single cylinder engine was run with pure hydrogen as combustion fuel to document particles from carbon-free fuels. By alternating gasoline and hydrogen operation a baseline of particulate formation of the gasoline fuel was determined. The experimental setup was challenged with established particle data from a McKenna burner with its homogeneous flame and a Gülder burner with highly inhomogeneous flame. The comparison showed a theoretical single shot ability of the experimental setup, as well as the weakness of the setup in respect of signal-to-noise ratio due to the beam splitter. The fuel study in the optical engine resulted in weak signal-to-noise ratio and high cycle-to-cycle variance of soot detection. It was shown that the concept works but the generated data was not sufficient enough to research the quantitative influence of changes in operation condition towards in-cylinder particulate formation.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxiii, 186 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 06 Apr 2022 12:07
Last Modified: 06 Apr 2022 12:07
DOI: 10.26083/tuprints-00019677
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-196772
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Beidl, Prof. Dr. Christian
Date of oral examination: 15 February 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19677
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