SRS/LIF-Messungen zur Charakterisierung rußarmer dieselähnlicher Flammen von alternativen Kraftstoffen und n-Heptan

Schulz, Christian; Grünefeld, Gerd; Pitsch, Heinz

doi:10.18154/RWTH-2019-09711

SRS/LIF-Messungen zur Charakterisierung rußarmer dieselähnlicher Flammen von alternativen Kraftstoffen und n-Heptan = SRS/LIF-measurements for the characterization of low-sooting diesel-like flames of alternative fuels and n-heptane

Schulz, Christian^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeChristian Schulz

ImpressumAachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH - Aachen 2019

ISBN978-3-95886-310-1

ReiheAachener Beiträge zur technischen Thermodynamik ; 22

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Grünefeld, Gerd (Thesis advisor)^RWTH* ; Pitsch, Heinz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-09-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09711
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/770763/files/770763.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik (412110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Diesel (frei) ; Flammen (frei) ; LIF (frei) ; Laser (frei) ; Lichtabschwächung (frei) ; NOx (frei) ; Raman (frei) ; Verbrennungsdiagnostik (frei) ; alternative Kraftstoffe (frei) ; rußarm (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zu den Hauptaufgaben der Entwicklung moderner Dieselmotoren und alternativerDieselkraftstoffe gehört u. a. die Reduktion von Schadstoffemissionen, vor allem vonRuß und NOx. Zur Erlangung eines besseren Verständnisses der Schadstoffbildungsprozesseeignen sich Untersuchungen mit laseroptischen Messverfahren. So kann Stickstoffmonoxid (NO) mit laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) im UV-Bereich nachgewiesen werden. Jedoch fehlten bislang quantitativ auswertbare NO-LIF-Messungen im Kern klassischer Dieselflammen. Ein Hauptgrund dafür ist häufig eine starke Lichtabschwächung von Laserlicht und Fluoreszenzemission, die zu einem großen Teil auch von Ruß verursacht wird. Neu entwickelte alternative Biokraftstoffe werden auch dafür optimiert, wenig Ruß zu erzeugen. Auch moderne Brennverfahren mit verstärkter Vormischung wie PPCI oder PCCI zeigen eine verminderte Rußneigung, können aber theoretisch im Flammeninneren signifikante NO-Konzentrationen aufweisen. Daher wird in dieser Arbeit die Messung von NO-LIF in rußarmen, dieselähnlichen Verbrennungen alternativer Kraftstoffe untersucht. Dazu wird ein optimierter Messansatz mit Anregung durch das Licht eines KrF*-Excimerlasers und 1D-orts- und spektral aufgelösten Emissionsmessungen an verbrennenden Einspritzstrahlen in einer Hochdruckkammer angewandt. Damit können erstmalig qualitativ auswertbare NO-LIF-Signale im Kern von dieselähnlichen Flammen gemessen werden. Es ist eine im Vergleich zu klassischen Dieselflammen geringere aber dennoch hohe Lichtabschwächung zu finden. Da für eine Quantifizierung der NO-LIF eine genaue Kenntnis der Lichtabschwächung von Laserlicht und Fluoreszenzsignal notwendig ist, wird als ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit das Verhalten der Lichtabschwächung im UV-Bereich in rußarmen, dieselähnlichen Flammen detailliert studiert. Durch Auswertung der durch den KrF*-Laser induzierten N2-SRS können dabei erstmals auch UV-Lichtabschwächungswerte in der Nähe der vorgemischten Verbrennung in der frühen Phase des Verbrennungsprozesses ermittelt werden. Des Weiteren wird auch die Durchführbarkeit einer Thermometriemethode mittels der Auswertung des Verhältnisses von Stokes-zu-Anti-Stokes-N2-SRS präsentiert, da die Temperatur ebenfalls ein wichtiger Parameter für die NO-Quantifizierung ist. Abschließend wird die Möglichkeit der quantitativen Messung von O2 mit SRS im Kern von dieselähnlichen Flammen untersucht.

One of the main tasks in the development of modern diesel engines and alternative diesel fuels is the reduction of pollutant emissions, especially soot and NOx. For obtaining a deeper understanding of pollutant formation processes laser-optical measurement methods are quite suitable. Nitric oxide (NO) can be detected by laser induced fluorescence (LIF) in the UV-range. However, up to now evaluable NO-LIF measurements in the core of classical diesel jets were lacking. One basic reason is typically severe light attenuation of laser light and fluorescence emission which is to a large extend caused by soot. Newly developed alternative biofuels are also optimized to produce little soot. Also modern combustion regimes with enhanced premixing, e.g. PPCI or PCCI, show a reduced sooting tendency, but may in theory exhibit significant NO-concentrations inside the flame. Hence, in this work the measurement of NO-LIF in low-sooting diesel-like internal combustion of alternative fuels is examined. Therefore an optimized measurement approach with excitation by light of a KrF* excimer laser and 1-d spatially and spectrally resolved emission detection from combusting jets in a high-pressure vessel is used. Thereby reliable and evaluable NO-LIF signals can be measured for the first time in the core of diesel-like flames. Light attenuation is found which is lower than in classical diesel flames but still significantly high. Because for the quantification of NO-LIF, a precise knowledge of light attenuation of laser light and fluorescence emission is necessary, as another focus of this work the behavior of light attenuation in the UV-range in low-sooting diesel-like flames is studied in detail. By evaluating the N2-SRS induced by the KrF* laser, values of UV-light attenuation close to the premixed burn early in the combustion cycle can be determined for the first time. Furthermore, the feasibility of a thermometry method based on the evaluation of the ratio of Stokes-to-Anti-Stokes N2-SRS is demonstrated since temperature is also an important input parameter for NO quantification. Finally, the possibility of quantitative measurements of O2 by SRS in the core of diesel-like jets is investigated.

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