Bildgebende Multiparameter-Lasermessungen in komplexen technischen Strömungs- und Verbrennungsprozessen

Wieske, Peter; Peters, Norbert

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-21009

Bildgebende Multiparameter-Lasermessungen in komplexen technischen Strömungs- und Verbrennungsprozessen = Imaging Multi Parameter Laser Measurements in Complex Technical Flow and Combustion Processes

Wieske, Peter

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Peter Wieske

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangXIV, 114 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Peters, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-08-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-21009
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62559/files/Wieske_Peter.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Laser-Messverfahren in der Thermofluiddynamik (N.N.) (412420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Optische Messtechnik (Genormte SW) ; Laserinduzierte Fluoreszenz (Genormte SW) ; Strömungsmesstechnik (Genormte SW) ; Verbrennungsmotor (Genormte SW) ; Diffusionsflamme (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Zyklische Schwankungen (frei) ; differentielle Diffusion (frei) ; LIEF (frei) ; LIPF (frei) ; LII (frei) ; cyclic fluctuations (frei) ; preferential diffusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird die Ursache zyklischer Schwankungen beim luftgeführten Brennverfahren experimentell mit laseroptischen Messverfahren untersucht. Dafür ist ein Multiparameter-Messverfahrens entwickelt worden, mit dem fünf Messgrößen, die die Gemischzusammensetzung beschreiben, simultan, flächig und instantan detektiert werden können. Grundlage des Multiparameter-Messverfahrens ist ein Exciplex-Tracer, der die spektrale Separation der Signale aus der Flüssig- und Dampfphase ermöglicht. Die Temperaturverteilung des flüssigen Kraftstoffs wird mittels 2-Linien Thermometrie erfasst. Das mithilfe der Flüssigphasentemperatur crosstalk korrigierte Gasphasensignal wird mit einer homogenen Kalibrierladung quantifiziert. Der Strömungszustand beider Phasen wird simultan zur Kraftstoffverteilung durch Ausnutzung der dem Spray inhärenten inhomogenen Verteilung mit erfasst. Durch Doppelpulsanregung und -detektion wird die Spraystruktur aufgenommen und mittels des GIV-Algorithmus ausgewertet. Zusammen mit der spektralen Separation der Signale ist so erstmals zusätzlich zur Gemischzusammensetzung und der Flüssigphasentemperatur die simultane Messung des Flüssig- und Gasphasenströmungsfeldes mit einem partikelfreien Messverfahren im Brennraum eines gefeuert betriebenen Ottomotors möglich. Wie die Messungen zeigen, ist die primäre Aussetzerursache für den untersuchten Betriebspunkt die zu magere Gemischzusammensetzung an der Zündkerze zum Zündzeitpunkt. Aus den simultan gemessenen Strömungsfeldern des flüssigen und dampfförmigen Kraftstoffs geht hervor, dass das schnellere Abmagern der Zündaussetzer durch höhere Gasphasengeschwindigkeiten begründet ist, die durch die Zylinderinnenströmung und nicht durch die Einspritzung induziert sind. Die Arbeit beschäftigt sich weiterhin mit der elementaren Struktur von Kohlenwasserstoff-Flammen. Stationäre, gekrümmte Diffusionsflammen werden mithilfe eines modifizierter Gegenstrombrenners erzeugt und mit laseroptischen Messverfahren untersucht. Es werden die Brennstoffe Methan, Propan und n-Butan verwendet. Die Reaktionszone wird in einem zweidimensionalen Schnitt durch die Symmetrieachse des Brenners mittels OH-LIPF qualitativ visualisiert. Die Rußstruktur wird mittels LII semi-quantitativ vermessen. Die Löschgrenzen dieser Flammen als Funktion der Flammenkrümmung werden bestimmt. An der Löschgrenze hängt die Struktur der gekrümmten Flammen stark von der Orientierung der Krümmung zur höher diffusiven und an der Verbrennung beteiligten Komponente ab. Zur Untersuchung des Einflusses von differentieller Diffusion und Flammenkrümmung auf das Rußverhalten wird der Sauerstoffanteil, die Krümmungsorientierung und -stärke sowie die Schwerkraftorientierung variiert. Die Höhe der Rußvolumenkonzentration ist dabei weniger davon beeinflusst, ob eine konvexe oder konkave Krümmung vorliegt, als vielmehr davon, ob die Rußzone ober- oder unterhalb der Reaktionszone liegt. Als weitere wichtige Einflussgröße auf die Rußvolumenkonzentration ist die Flammentemperatur zu nennen, was als Ergebnis der Variation des Sauerstoffanteils festzuhalten ist. Für steigende Flammentemperaturen steigt die Rußvolumenkonzentration stark an. Der Einfluss von differentieller Diffusion und Flammenkrümmung auf die Rußbildung ist durch den hohen Schwerkrafteinfluss und/oder Auftriebseinfluss und die starke Temperaturabhängigkeit der Rußbildung überlagert. Dennoch lassen sich die Unterschiede zwischen den einzelnen Brennstoffen mit differentieller Diffusion und Flammenkrümmung erklären.

In this work the origin of cycle-to-cycle fluctuations of an air guided combustion process is investigated experimentally by means of laser diagnostics. A multi-parameter measurement technique is developed, which allows for the simultaneous, instantaneous and planar detection of five quantities that are relevant to the mixture preparation process. The basis of the multi-parameter measurement technique is an exciplex tracer that enables the spectral separation of the signals from the liquid and the vapor phase, respectively. The temperature distribution of the liquid phase is measured via 2-line thermometry. That, with the aid of the liquid temperature crosstalk corrected vapor phase signal, is quantified by an homogeneous calibration charge. The flow fields of both phases are measured simultaneously to the fuel distribution using spatial inhomogeneities that are inherent to the spray. The spray structure is measured twice via double pulse excitation and detection and reduced by the GIV algorithm. In addition to the fuel distribution and the liquid temperature distribution this set-up enables for the first time, together with the spectral separation of the signals, a particle-free, simultaneous measurement of the liquid and vapor phase flow fields inside the combustion chamber of a fired DISI engine. The measurements reveal that misfires are primarily caused by overly lean conditions at the spark plug at spark timing. The simultaneously measured flow fields of the liquid and vaporized fuel show that the faster leaning of the misfiring cycles is caused by higher vapor phase velocities that are induced by the in-cylinder air flow and not by the injection. Furthermore this work deals with the basic structure of hydrocarbon diffusion flames. Stationary curved diffusion flames are established using a modified counterflow burner and investigated by laser diagnostics. Methane, propane and n-butane are used. The structure of the reaction zone is visualized by means of OH-LIPF and that of the sooting zone is measured semi-quantitatively via LII. The extinction limits as a function of the flame curvature are determined. At the extinction limit the structure of the curved flame is strongly influenced by the orientation of curvature towards the higher diffusive component participating in the combustion. To investigate the influence of preferential diffusion and flame curvature on the soot behaviour, the oxygen fraction, the orientation and strength of curvature, and the orientation of gravity are varied. It reveals that the soot concentration is less influenced by the orientation of curvature rather than if it is located above or below the reaction zone. The flame temperature is another important parameter for the soot volume fraction, which is shown by the variation of the oxygen concentration. When increasing flame temperatures the soot volume fraction increases strongly. The influence of preferential diffusion and flame curvature on the soot formation is superposed by the gravity and/or buoyancy effects and by the strong temperature dependence. Nevertheless the fuel specific effects can be explained by preferential diffusion and flame curvature.

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