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New approaches for optical and microoptical diagnostics in IC engines

Zimmermann, Frank Peter

German Title: Neue Ansätze zur optischen und mikrooptischen Diagnostik in Verbrennungsmotoren

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Abstract

The development of modern engine concepts like spray-guided spark-ignition direct injection (SG-SIDI) or homogeneous charge compression ignition (HCCI) requires fast, non-invasive in-situ diagnostics methods. Hence, laser-based optical diagnostics are essential for internal combustion (IC) engine research. Within this work, microoptical systems that enable the ap-plication of optical diagnostics methods on unmodified production-line engines or engines with micro-invasive optical access were designed, characterized and realized in a joint project collaborating with the Institut für Technische Optik (ITO) at the University of Stuttgart. These microoptical systems include a fiber-optic spark-plug sensor and an endoscopic UV imaging system. The used optical diagnostics are based on laser-induced fluorescence (LIF) of the fuel tracers toluene and 3-pentanone. The respective total fluorescence signal and its spectral dis-tribution yield information about temperature, pressure and mixture composition (i.e. fuel/air-equivalence ratios). The fiber-optic spark plug is designed to perform LIF measure-ments in a defined small probe volume (~2 mm³) close to the spark gap. Its ignition function is fully maintained. With the spark-plug sensor fuel LIF was measured in a commercial IC en-gine. The hybrid UV endoscope (combining refractive and diffractive optical elements) has an about ten times better light collection efficiency than a commercial UV endoscope with simul-taneous high spatial resolution over a broadband spectral range. Its performance is demon-strated in various experiments. Microoptics for the generation of lightsheets and excitation beam patterns are also presented. For a quantitative application of tracer-LIF diagnostics a comprehensive knowledge of the photophysical properties of the used tracers is essential. As a contribution to this photophysical characterization, within this work, tracer-LIF lifetimes were measured via TCSPC (time-correlated single-photon counting) with unprecedented time resolution. The measured bi-exponential decay for toluene LIF could validate the prevailing model. Before the microoptical systems were finished, two experiments in optical single-cylinder engines were conducted with commercial lenses and a simple commercial fiber-optic spark plug. In an air-guided system the fuel distribution and its temporal evolution close to the spark gap were measured with 3-pentanone-LIF and CN* spark-emission spectroscopy simultaneously. In a spray-guided SIDI engine the interaction between the fuel spray and the spark was measured and the spray induced stretching of the spark was observed.

Translation of abstract (German)

Optische Diagnostik wird in vielen Forschungsbereichen seit Jahren erfolgreich für schnelle, berührungslose in-situ Messungen eingesetzt. Auch für die Motorenforschung sind optische Methoden heutzutage unentbehrlich. Die Schaffung der optischen Zugänge kostet jedoch Zeit und Geld. Oft werden durch makroskopische optische Zugänge auch physikalische Eigen-schaften, wie Zylindergeometrie und Wärmeleitfähigkeit verändert. Zur serienreifen Weiter-entwicklung von vielversprechenden Konzepten, wie Direkteinspritzung mit Schichtladung oder HCCI (homogeneous charge compression ignition), sind daher Messungen an minimal veränderten oder unmodifizierten Motoren unumgänglich. Im Rahmen eines Kooperations-projektes mit dem Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart wurden hierzu mikro-invasive optische Systeme entworfen, konstruiert und getestet. So wurde ein faseropti-scher Sensor entwickelt, der in einer voll funktionsfähigen Zündkerze integriert ist. Außer-dem wurden ein hybrides UV Endoskop zur abbildenden Diagnostik und endoskopische Op-tiken zur Erzeugung von Laserlichtschnitten und Laserstrahlmustern realisiert. „Hybrid“ steht hierbei für die Kombination von refraktiven und diffraktiven optischen Elementen. Durch dieses spezielle hybride Design wird eine fast zehnmal größere Lichtstärke als mit ei-nem vergleichbaren kommerziellen UV Endoskop erreicht. Gleichzeitig hat das hybride UV Endoskop ein besseres örtliches Auflösungsvermögen über einen definierten breiten Spekt-ralbereich im UV. Die angewandten spektroskopischen Konzepte zur Messung von Treib-stoffkonzentrationen, Mischungsverhältnissen und der Temperatur basieren auf UV-laserinduzierter Fluoreszenz (LIF). Durch die gezielte Laseranregung wird beim Zündkerzensensor mit dieser Diagnostikmethode ein definiertes Messvolumen (~2 mm³) in unmittelbarer Nähe der Funkenstrecke erreicht. Mit dem Sensor wurden qualitative Treibstoff-LIF Messun-gen in einem handelsüblichen Vier﷓Zylinder-Motor durchgeführt. Für quantitative Messun-gen werden die Tracermoleküle Toluol und 3﷓Pentanon eingesetzt. Hierfür ist jedoch eine ge-naue Kenntnis der photophysikalischen Eigenschaften dieser Moleküle essentiell. Ein Beitrag zur besseren Charakterisierung der Toluol Fluoreszenz wurde auch im Rahmen dieser Arbeit geleistet: Anhand von hochaufgelösten Messungen der Fluoreszenzlebensdauer mit Hilfe von TCSPC (time-correlated single-photon counting) wurde ein bi-exponentielles Verhalten fest-gestellt und damit das bestehende photophysikalische Modell für Toluol bestätigt. Außerdem wurde eine charakteristische Abhängigkeit der zwei Lebensdauerkomponenten von Tempera-tur und Sauerstoffkonzentration gefunden. Diese Abhängigkeit kann zur Messung von Tem-peratur und Sauerstoffpartialdruck unabhängig von der lokalen Tracerkonzentration ange-wandt werden. Bereits vor Fertigstellung der mikrooptischen Systeme wurden Experimente in zwei optischen Ein-Zylinder-Motoren mit herkömmlichen Optiken und kommerziellen Mikrooptiken durchgeführt. Bei einem wand- und luftgeführten Verfahren wurde die Treib-stoffverteilung und –ausbreitung anhand von 3-Pentanon-LIF und CN*-Zündfunkenemission simultan gemessen. In einem spraygeführten Verfahren wurde die Wechselwirkung zwischen Treibstoffspray und Zündfunken untersucht und die Zündfunkenausdehnung beobachtet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dr. Jürgen Wolfrum, Prof.
Date of thesis defense: 24 November 2006
Date Deposited: 14 Dec 2006 15:24
Date: 2006
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 660 Chemical engineering
Controlled Keywords: Laserinduzierte Fluoreszenz, Tracer, Lebensdauer, Toluol, Verbrennungsmotor, Mikrooptik, Endoskop, Zündkerze
Uncontrolled Keywords: Fluoreszenzlebensdauer , Treibstoff/Luft-Verhältnis , optische Diagnostik , SIDImicrooptical diagnostics , LIF , lifetimes , toluene , IC engines , SIDI
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