Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Applikation der planaren laserinduzierten Tracer-Fluoreszenz zur qualitativen und quantitativen zweidimensionalen Untersuchung der Einblase- und Gemischbildungsprozesse bei einem Wasserstoffmotor sowie den kombinativen, simultanen Einsatz von laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) und Flammeneigenleuchten an diesem Motor zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Gemischbildung und Verbrennung. Mit diesen Verfahren kann man vertiefte Einblicke in die Wirkkette der wasserstoffmotorischen Verbrennung gewinnen, die zur weiteren Brennverfahrensoptimierung genutzt werden können. Um neben der reinen qualitativen Darstellung der Gasausbreitung und der Gemischbildung bei Einblase- und Gemischbildungsprozessen auch eine Quantifizierung und damit eine zweidimensionale Darstellung des Kraftstoff / Luftverhältnisses im Brennraum oder Saugrohr eines optisch zugänglichen Wasserstoffmotors zu erreichen, ist der hier verwendete Tracer Triethylamin (TEA) zunächst hinsichtlich seiner spektroskopischen Eigenschaften (z.B. Druck- und Temperaturabhängigkeiten der Fluoreszenzintensität) an einer stationär durchströmten Hochdruck-Hochtemperatur-Kalibrierzelle und im Transparentmotor charakterisiert worden. Das Konzept zur Quantifizierung der LIF-Rohdaten wird erläutert und das Verfahren durch eine direkte Messung des Kraftstoff / Luft-Verhältnisses mit Hilfe der linearen Raman-Streuung verifiziert. Reine Gemischbildungsuntersuchungen werden teilweise mit Helium als Ersatzgas für Wasserstoff durchgeführt. Es wird gezeigt, daß diese Vorgehensweise zulässig ist. Für den Einsatz am Motor bei verschiedenen Einblasedrücken (Niederdruck <= 10 bar; Hochdruck: bis zu 300 bar) war es erforderlich, Gasversorgungssysteme zu entwickeln und aufzubauen, die die homogene Mischung von Gas und Tracer sicherstellen und die Gaseinblaseventile mit dem gewünschten Gasdruck und dem entsprechenden Volumenstrom versorgen können. Diese Systeme werden ausführlich beschrieben, ebenso der Aufbau für die optischen Meßtechniken LIF, lineare Raman-Streuung OH-Flammeneigenleuchten am Transparentmotor. Das in dieser Arbeit beschriebene LIF-Meßverfahren ist beim technischen Verbrennungssystem, für das es entwickelt worden ist, dem Wasserstoffmotor, erfolgreich eingesetzt worden. Beispielhaft wurde der Einfluß verschiedener Parameter auf den Gemischbildungsprozeß untersucht, sowohl für äußere als auch für innere Gemischbildung. Zu diesen Parametern zählen unter anderem der Einblasezeitpunkt und der Einblasedruck. Durch die simultane, zyklusaufgelöste Gemischbildungs- und Verbrennungsuntersuchungen konnte ein Zusammenhang zwischen der Gemischverteilung, d.h. dem lokalen Kraftstoff / Luft-Verhältnis zum Zündzeitpunkt, und der Verbrennung, gekennzeichnet durch Zylinderdruckverlauf und Flammenausbreitung, aufgezeigt werden.

    The presented work describes the development and application of planar laser-induced tracer fluorescence as a measurement technique for the qualitative and quantitative investigation of gas injection and mixture formation processes in a hydrogen engine. For the investigation of the interrelationship between mixture formation and combustion the simultaneous application of laser-induced fluorescence (LIF) and flame luminosity was used. With these measurement techniques it is possible to provide deepened insights into the functioning chain of gas engine combustion. These results lead to a further optimisation of the engine regarding consumption and emissions. To obtain also quantitative data and a two-dimensional mapping of the fuel / air-ratio in the combustion chamber of the inlet manifold, and not only a qualitative description of gas propagation and mixture formation, it has been necessary to investigate thoroughly the spectroscopic properties of the used tracer triethylamine (TEA). Therefore measurements at a high-pressure high-temperature chamber (with stationary flow rate) and at an optical accessible engine were executed. The work explains the concept behind the quantification procedure of the LIF raw data. The results of the LIF measurement technique were verified by means of the a direct measurement of the fuel / air-ratio by linear Raman scattering. Pure mixture formation investigations were made partly with helium as a substitution gas for hydrogen and it shown this is permissible. For the engine investigations with different gas injection pressures (low pressure <= 10 bar; high pressure 300 bar) the development, design and construction of gas supply systems was necessary. These systems have to ensure that a homogeneous mixture of gas and tracer is delivered to the gas injection valves with the desired pressure and the appropriate flow rate. These systems and the optical setup for the measurement techniques LIF, linear Raman scattering and OH flame luminosity are described in detail. The LIF measurement technique which is described in this work has been successfully used for the technical combustion system is has been developed for, the hydrogen engine. Exemplary the influence of different parameters onto the mixture formation process was investigated for external as well as internal mixture formation. Injection timing and pressure are among these parameters. The simultaneous, cycle-resolved mixture formation and combustion analysis indicated an interrelationship between the mixture distribution at ignition timing, i.e. the local fuel / air -ratio, and the combustion behavior, characterised by cylinder pressure curve and flame propagation.


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    Titel :

    Untersuchung der Gemischbildung und Verbrennung bei Wasserstoffmotoren mit Hilfe optischer Meßtechniken


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2007


    Format / Umfang :

    188 Seiten, Bilder, Tabellen, 219 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch