Laserinduzierte Fluoreszenz und Flammenemissionsspektroskopie zur Charakterisierung des Gemischbildungsprozesses bei wand- und luftgeführten Brennverfahren mit Benzindirekteinspritzung

Grzeszik R. Laserinduzierte Fluoreszenz und Flammenemissionsspektroskopie zur Charakterisierung des Gemischbildungsprozesses bei wand- und luftgeführten Brennverfahren mit Benzindirekteinspritzung. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2002.Mit Hilfe der laserinduzierten Fluoreszenz und der Flammenemissionsspektroskopie als optische Messtechniken wurden die Ausbreitung, die Verdampfung und die Verbrennung des Kraftstoffs bei Benzinmotoren mit Direkteinspritzung detailliert untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass diese Messtechniken an Verbrennungsmotoren einsetzbar sind und dass sie einen vertieften Einblick in die motorischen Prozesse ermöglichen. Die optischen Untersuchungen wurden an einem Einzylindermotor bei einer Drehzahl von n = 2000 min-1 und einem indizierten Mitteldruck von pmi = 2,8 bar durchgeführt. Der Motor konnte mit einem luft- und einem wandgeführten Brennverfahren ausgerüstet werden. Es wurden der Strahlwinkel des Dralleinspritzventils, der Einspritzdruck und der Einspritzzeitpunkt variiert. Ein Mehrlochventil wurde mit den Drallventilen verglichen. Für die LIF-Messungen wurde eine 10v.H.-Diethylketon-Isooktanlösung verwendet. Für die LIEF-Messungen wurden zwei Isooktanlösungen eingesetzt. Der einen wurde 1v.H.-TEA und 1v.H.-Benzol beigemengt, der anderen 0,5v.H.-TMPD und 5v.H.-Naphthalin. Bei dem luftgeführten Brennverfahren verdampfte der Kraftstoff bis zur Zündung für relevante Einspritzdrücke von 5 bis 10 MPa vollständig. Es zeigte sich, dass für den Kraftstofftransport zur Zündkerze der Strahlimpuls auf die Brennraumströmung abgestimmt sein muss. Bei dem wandgeführten Brennverfahren bildete sich während des Einspritzvorgangs auf dem Kolben ein Wandfilm, der mit LIF im Expansionstakt nachgewiesen wurde. Sowohl eine Erhöhung des Einspritzdrucks als auch ein geringerer Strahlwinkel führten zu einer verstärkten Kolbenbenetzung. Ein enger Zusammenhang zwischen der Stärke des Wandfilms und dem durch die Verbrennung entstandenen Ruß konnte hergestellt werden. Als eine neue Bewertung der Gemischbildung wurde die flächige Berechnung der lokalen Kraftstoffwahrscheinlichkeit in Zündkerzennähe vorgestellt. Hiermit konnten Einspritz- und Zündzeitpunkte für einen stabilen Motorlauf abgeleitet werden. Das aufgezeigte Verhalten wurde durch thermodynamische Untersuchungen bestätigt. Zur Beurteilung der Verbrennung wurde die Flammenemissionsspektroskopie eingesetzt, die eine Unterscheidung zwischen einer vorgemischten, stöchiometrischen Verbrennung und einer diffusionsgesteuerten, unter Luftmangel stattfindenden Verbrennung ermöglicht. Als Kennzeichen für die vorgemischte Verbrennung war die OH-Emission bei 306nm nur bedingt geeignet, weil OH auch deutlich nach Verbrennungsende in der Expansion nachweisbar war. Grund hierfür ist der thermische Zerfall des Wassers in OH bei hoher Temperatur. Für die Charakterisierung der diffusionsgesteuerten Verbrennung wurde die thermische Rußstrahlung eingesetzt. An beiden Brennverfahren konnte gezeigt werden, dass sich der diffusionsgesteuerte Anteil der Verbrennung durch einen gesteigerten Einspritzdruck und durch einen frühen Einspritzzeitpunkt reduzieren lässt