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Spray combustion diagnostics with tracer-based laser-induced fluorescence imaging

Düwel, Isabell

German Title: Sprayverbrennungsdiagnostik mit tracerbasierender laserinduzierter Fluoreszenz

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Abstract

Um die Vorgänge bei der Verbrennung in modernen Motorentypen, wie z.B dem direkteinspritzenden Benzinmotor, besser verstehen und optimieren zu können, haben sich in den letzten Jahren berührungsfreie, laserbasierte Diagnostik-Methoden als besonders vielseitig und hilfreich erwiesen. Die meisten Motorenentwickler benutzen heutzutage bei ihrer Arbeit optische Messtechniken. Um jedoch sicherzustellen, dass diese Methoden genaue und zuverlässige Ergebnisse liefern, ist es nötig, sie genau zu überprüfen und zu charakterisieren. In dieser Arbeit werden eine Reihe von optischen Diagnostiktechniken für die Sprayanalyse, die auf dem Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) von Tracern basieren, auf ihre Anwendbarkeit und ihre Grenzen hin untersucht. Die Methoden wurden dazu auf unterschiedliche Spraysysteme angewendet: Von der Anwendung in einzelnen Tropfen über Modelsprays bis hin zu Kraftstoffsprays in Versuchsmotoren. Tracer-LIF basiert auf fluoreszierenden Substanzen, die dem Kraftstoff in geringen Mengen beigemischt werden. Deren Fluoreszenzeigenschaften werden dazu verwendet, lokale Größen wie Tropfentemperatur, -größe oder -geschwindigkeit mit hoher Zeitauflösung zu messen. Aus diesen Größen können wichtige Schlüsse über Wärmeund Stofftransportprozesse, die bei der Sprayverbrennung ablaufen, gezogen werden. Jedoch müssen die Eigenschaften der Tracer dazu sehr genau bekannt sein, um verwendbare und vergleichbare Ergebnisse zu garantieren. In dieser Arbeit wurden Tracer im Hinblick auf ihre Verdampfungseigenschaften und die Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenzeigenschaften charakterisiert. Außerdem wurden die Farbstoffe Atto 680, Rhodamin 800 und Rhodamin B auf ihre Anwendbarkeit als Tracer in realen Kraftstoffen untersucht. Gepulste Lasersysteme und hochauflösende CCD oder CMOS-Kameras erlauben die detaillierte und zeitlich wie räumlich hochaufgelöste Untersuchung der Sprayentstehung, -verdampfung und -verbrennung mit Hilfe von Tracer-LIF. Durch Verwendung der sogenannten Laser-Lichtschnitt-Methode können die Signale in zweidimensionalen Schnittebenen simultan erfasst werden. Die Anwendung der zuvor charakterisierten Tracer auf eine Modell-Sayflammen erlaubte durch Vergleich mit den Ergebnissen neuer numerischer Spraymodelle, welche die Flammenchemie über einen Flameletansatz berücksichtigen, neue Einblicke ich diese Vorgänge. Um die Verdampfung eines einzelnen Tropfens zu untersuchen, wurde darüber hinaus eine elektrodynamische Falle konstruiert und aufgebaut, die geladene Tropfen in einem Hochfrequenzfeld über längere Zeit festhalten kann. Die Heizung der Tropfen erfolgte durch einen CO2-Laser. Der Vergleich mit einem neuen Tropfenverdampfungsmodell, das diese Bedingungen berücksichtigt, lieferte vielversprechende Ergebnisse In einem Versuchsmotor mit Benzin-Direkteinspritzung konnte außerdem die Wechselwirkung zwischen Kraftstoffspray und Zündkerze, die Beeinflussung des Zündfunkens, sowie die Auswirkungen von Schwankungen im Spraywinkel während der Einspritzung untersucht werden, was Aufschlüsse über die möglichen Ursachen von Fehlzündungen und unvollständiger Verbrennung lieferte. Laserinduzierte Exciplex- Fluoreszenz lieferte, zur weiteren Untersuchung dieses Sachverhalts, quantitative Informationen über die räumliche Verteilung des zündfähigen Gemischs bei verschiedenen Benzininjektoren unter variierenden Bedingungen.

Translation of abstract (English)

To understand and optimize the combustion processes in new types of internal combustion engines, like gasoline direct-injection engines, non-intrusive laser-based diagnostics methods have proven to be versatile and important tools to measure combustion characteristics. Most engine developers already rely on optical methods in the development of new engines. To guarantee accurate and reliable results of optical measurements it is necessary to carefully evaluate and characterize these techniques under realistic conditions. In this work a variety of laser-based diagnostics techniques, mostly based on the tracer- LIF principle, have been evaluated for their applicability and limitations and have been applied to different spray systems – reaching from single droplets, over model sprays to fuel sprays in a firing test engine. The tracer-laser-induced-fluorescence (LIF) method is based on doping the fuel with a fluorescent substance whose fluorescence characteristics are used to measure various physical properties of the spray, such as temperature, droplet size, or droplet velocity. From these properties information about heat and mass-transfer mechanisms in the spray can be gained. However, the characteristics of the used tracers must be known in detail in order to guarantee useful and comparable results. Therefore, in this work various tracers were characterized in terms of their evaporation and temperaturedependent properties. The tracers Atto 680, Rhodamine 800 and Rhodamine B have further been tested for their applicability to realistic fuels. High-repetition-laser systems and high-resolution CCD or CMOS cameras allow the detailed analysis of spray formation, evaporation and combustion by tracer LIF with high temporal and spatial resolution. The so-called laser-light-sheet method provides two-dimensional information from the area of interest. The application of the before characterized tracers to a model spray burner provided new insights into these processes by comparison with numerical spray simulations implementing detailed chemistry through a spray flamelet model. To study the evaporation of a single droplet, an electrodynamic levitator (Paul-trap), that traps charged droplets in high-frequency electric field, was designed and setup. The droplet was heated by a pulsed CO2-laser. Comparison with an new droplet evaporation model, that implements these conditions, showed promising results. In addition, in a gasoline direct-injection test engine the interaction of spray and spark plug, the influence of the spray on the spark and the effect of fluctuations in the spray angle during injection were analyzed and provided insight into the reasons of misfires and partial burns. Further, laser-induced exciplex fluorescence yielded information about the spatial distribution of the ignitable fuel/air mixture for different gasoline injectors at varying conditions.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schulz, Prof. Christof,
Date of thesis defense: 4 May 2007
Date Deposited: 07 May 2007 15:16
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Spray, Laserinduzierte Fluoreszenz, Tropfengrößenbestimmung, Temperaturmessung, Direkteinspritzung
Uncontrolled Keywords: spray , laser-induced fluorescence , drop-sizing , temperature measurement , direct-injection
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