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Photophysical characterization of toluene and 3 pentanone for quantitative imaging of fuel/air ratio and temperature in combustion systems

Koban, Wieland

German Title: Photopysikalische Charakterisierung von Toluol und 3-Pentanone zur quantitativen Abbildung von Treibstoff/Luft-Gemisch und Temperatur in Verbrennungssystemen

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Abstract

The use of fluorescent tracers for fuel visualization based on laser-induced fluorescence (LIF) has grown to an important engineering tool in modern engine research. However, quantitative interpretation of fluorescence signals in terms of fuel/air ratio or temperature requires sound fundamental knowledge of the compound’s photophysical behavior, i.e. the dependence of the LIF-signal on temperature, pressure and bath gas composition. In this work, absorption cross-sections, fluorescence quantum yields and oxygen quenching efficiencies of toluene-LIF were investigated in a heated flow cell (300 - 900 K) and absolute fluorescence quantum yields of 3-pentanone in dependence on excitation wavelength have been determined. A photophysical model that predicts toluene-LIF intensities in dependence on external variables (i.e. temperature, oxygen concentration, excitation wavelength) is developed. This model has been verified by comparison of LIF-signal predictions to data obtained in an optical engine. The well-established model for 3-pentanone LIF, however, has shown significant shortcomings at simultaneously elevated temperatures and pressures. It is shown that the widespread assumption of toluene LIF being proportional to the fuel/air ratio (FARLIF) is wrong at conditions present in the compression stroke of internal combustion engines. With additional temperature information, however, the new LIF model enables quantitative signal interpretation. Novel imaging techniques based on toluene-LIF for the measurement of temperature and oxygen concentration in addition to the fuel/air ratio are demonstrated.

Translation of abstract (German)

Treibstoffvisualisierung mittels laser-induzierter Fluoreszenz (LIF) von Treibstoffmarkern hat sich zu einer wichtigen Technik in der modernen Motorenforschung entwickelt. Um jedoch quantitative Aussagen über das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis oder die Temperatur zu erhalten, müssen die Abhängigkeiten des Fluoreszenzsignals von Temperatur, Druck und Gaszusammensetzung genau bekannt sein. In dieser Arbeit wurden in einer heizbaren Flusszelle (300 – 900 K) Absorptionsquerschnitt, Fluoreszenzquantenausbeute und die Effizienz der Stoßlöschung durch Sauerstoff für Toluol-LIF sowie absolute Fluoreszenzquantenausbeuten von 3-Pentanon bestimmt. Ein photophysikalisches Modell wurde entwickelt, welches die Fluoreszenzintensität von Toluol in Abhängigkeit von Temperatur, Sauerstoffkonzentration und Anregungswellenlänge vorhersagt. Das Modell für Toluol wurde verifiziert, indem Messungen in einem optisch zugänglichen Motor mit Vorhersagen des Modells verglichen wurden. Das weitverbreitete Modell für 3-Pentanon Fluoreszenz zeigte sich jedoch ungeeignet für Bedingungen mit gleichzeitig hohem Druck und hoher Temperatur. Es konnte gezeigt werden, dass die oft verwendete Annahme, dass das Toluol-Fluoreszenzsignal proportional zum Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis sei (FARLIF), unter motorischen Bedingungen nicht gerechtfertigt ist. Ist die Temperatur jedoch bekannt oder gemessen, kann das Signal mit Hilfe des neuen LIF-Modells quantitativ ausgewertet werden. Neue bildgebende Verfahren basierend auf Toluol-LIF zur Bestimmung von Temperatur und Sauerstoff zusätzlich zum Treibstoff-Luft-Verhältnis wurden entwickelt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolfrum, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 6 July 2005
Date Deposited: 28 Oct 2005 11:28
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Aromaten, Photophysik, Temperaturabhängigkeit, Tracer, Verbrennung, Verbrennungskraftmaschine, Laserinduzierte Fluoreszenz, Ketone
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