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Entwicklung und Anwendung von Fluoreszenztracer-Verfahren für die lasergestützte, abbildende Spraydiagnostik

Schorr, Jürgen

English Title: Development and application of tracer fluorescence methods for laser-based imaging spraydiagnosics

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PDF, German
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Abstract

Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge des Gemischbildungs- und Verbrennungsprozesses bei Brennver-fahren mit Direkteinspritzung müssen zeitaufgelöste, berührungslose Messungen direkt im Brennraum unter mög-lichst realistischen Bedingungen erfolgen. Das im Rahmen dieser Arbeit angewandte zweidimensionale Verfahren zur Messung mittlerer Tropfengrößen, basierend auf unterschiedlichen Durchmesserabhängigkeiten von laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) und Mie-Streuung, kann im Gegensatz zu konventionellen Verfahren auch in Bereichen hoher Spraydichte eingesetzt werden. Die Fluoreszenz stammt dabei von Farbstoffen, deren Fluoreszenzintensität in Abhängigkeit von Konzentration, Temperatur und Sauerstoffkonzentration untersucht wurde. Um für die Anwendung in verdampfenden Systemen das dynamische Verhalten der Fluoreszenz relevanter Tracer in Abhängigkeit von der Temperatur detailliert untersuchen zu können, wurde das Fluoreszenzsignal an langsam verdampfenden Einzeltropfen beobachtet. Rhodamin 6G-dotierte Wassertropfen wurden mit einem CO2-Laser geheizt. Der Farbstoff reicherte sich während der Verdampfungsphase vollständig in der flüssigen Phase an. Ein Tracerkonzept mit Anregung im roten Spektralbereich verwendet die Tracermoleküle Rhodamin 6G und Rho-damin 800 und nutzt den transparenten Spektralbereich von Realkraftstoffen für Anregung und Emission und ermög-licht somit die selektive Beobachtung auch in kommerziell erhältlichen Kraftstoffen. Mit Hexanol als Lösungsver-mittler konnten die Tracer in unpolarem Dieselkraftstoff gelöst, charakterisiert und unter Brennkammerbedingungen getestet werden. Für die Anregung im UV wurden die Tracer Fluoranthen und BBQ (4,4-Bis-(2-butyloctyloxy)-p-quaterphenyl) gewählt, da sie eine simultane Anregung des OH-Radikals ermöglichen. Zur weiteren Charakterisie-rung der Temperaturabhängigkeit und des Verdampfungseinflusses, auch bei Flüssigkeitstemperaturen über dem Sie-depunkt des Kraftstoffs bei Atmosphärendruck, wurde in einem technisch relevanten Spray die Tracerfluoreszenz von BBQ und Fluoranthen in Hochtemperatur-Hochdruck-Umgebung unter Verwendung eines nichtfluoreszierenden Multikomponenten-Ersatzkraftstoffs für Kerosin untersucht.

Translation of abstract (English)

For a better understanding of the interactions of fuel mixing and combustion in direct-injection burners, time-resolved and non-intrusive measurements under realistic conditions are needed. The two-dimensional technique for measurement of mean dropsize distributions in this work, based on different dependencies of the laser-induced fluo-rescence and Mie-scattering signal, is, in contrast to conventional techniques, applicable even for dense regions of the spray. Fluorescence evolves from dyes for which the dependency of fluorescence intensity on dye concentration, temperature and oxygen concentration was investigated. For the detailed investigation of temperature dependence for the application in evaporating systems the dynamic behavior of dyes on the influence of temperature was observed on slow heating single droplets. Rhodamin 6G-doped water droplets were heated by a CO2-Laser. Complete enrichment of the dye in the liquid phase was observed during evaporation. A tracer concept with excitation in the red spectral range uses the tracer molecules rhodamine 6G and rhoda-mine 800. This concept uses the transparent range of commercial fuels for excitation and emission and also enables the selective detection of dyes in commercial fuels. With hexanol as an emulsifying agent it was possible to dissolve these tracers even in nonpolar diesel fuel and to charachterize spectral properties under the conditions of a combus-tion chamber. For the excitation in the UV the tracers fluoranthene and BBQ (4,4-Bis-(2-butyloctyloxy)-p-quaterphenyl) were chosen, since they enable the simultaneous excitation of OH-radicals. To characterise temperature dependence and influence of evaporation also in a system where the temperature of the liquid is above the boiling point of the respective fuel under atmospheric pressure the fluoerescence of fluoranthene and BBQ in a technically relevant spray was investigated. This study has been carried out in a high-pressure high-temperature chamber using a non-fluorescent, multi-component replacement fuel for kerosene.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolfrum, Prof. Jürgen
Date of thesis defense: 18. December 2003
Date Deposited: 04. Feb 2004 11:47
Date: 2003
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Tropfengrößenbestimmung, Spray, Verdampfung, Streulicht, Laserinduzierte Fluoreszenz, Tracer, Fluoreszenzfarbstoff, Dieselkraftstoff, Hochdruc
Uncontrolled Keywords: Schwingblendengenerator , monodisperse Tropfenkette , LIF/Mie-Streulichttechnik , Sauterdurchmesser , Einzeltropfenverdampfung
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