Planare Fuel-Air-Ratio-LIF zur dynamischen Gemischbildungsanalyse

Die kontrollierte und definierte Mischung von Kraftstoff und Luft ist ein entscheidender Punkt bei der Entwicklung neuer Verbrennungsmotoren und ihrer Brennverfahren. Daher wurden in der Vergangenheit vielfältige optische Messverfahren entwickelt, die einen Einblick in die Gemischbildung geben.

Schon 1994 hat Reboux et al. ein vielversprechendes Messverfahren für die Messung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses mittels Laser-Induzierter Fluoreszenz vorgeschlagen (Fuel/Air measurement by Laser-Induced Fluorescence, kurz FARLIF). Sie verwendeten Toluol als Fluoreszenztracer im Modellkraftstoff Isooktan.

Unsere Arbeiten konzentrieren sich nun auf die Anwendbarkeit dieses FARLIF-Prinzips ohne die Zugabe von Tracern – mit realistischeren selbstfluoreszierenden Mehrkomponentenkraftstoffen. Dabei hat sich ein realitätsnahes Benzin „Shell Ottokraftstoff Farblos“ als guter Kandidat für FARLIF bei einer Anregungswellenlänge von 266 nm herausgestellt.

Ein direkter Validierungsversuch ergab, dass mit diesem Benzin FARLIF-Messungen mindestens bis zu Temperaturen von 500 K bei Drücken über 1.3 bar und ausreichendem Sauerstoffanteil lambda>0.2 möglich sind. Weiterführende Untersuchungen werden das Verhalten bei höheren Temperaturen (bis 720 K) überprüfen. Bei diesen Bedingungen ist das FARLIF-Signal druckunabhängig und direkt proportional zum Kraftstoff/Luft-Verhältnis (Abbildung 1). Allerdings muss die Abschwächung des Anregungslasers durch Absorptionseffekte für eine korrekte Auswertung berücksichtigt werden.

: Abbildung 1: FARLIF Validierung

Die Anwendung dieses Messkonzeptes konnte bei planaren LIF Messungen in einer Strömungskammer unter Verwendung einer Lichtschnitttechnik und einer bildverstärkten Kamera demonstriert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass quantitative lambda-Karten von Mischungssituationen selbst im Einzelschuss bei verbrennungsrelevanten Gemischbedingungen aufgenommen werden können (siehe Abbildung 2).

: Abbildung 2: Planar FARLIF Imaging

Diese Messtechnik wurde nun zu einer Doppelbild-Technik erweitert. Hierbei wird mit einem Doppelpuls-Laser der Lichtschnitt zweimal beleuchtet; mit Hilfe einer intensivierten Doppelbildkamera – ähnlich dem bekannten PIV-Verfahren – werden zwei leicht zeitversetzte Fluoreszenzbilder der Mischungssituation aufgenommen. Dieses FARLIF-Bildpaar zeigt nun die zeitliche Veränderung der Mischungssituation und ermöglicht die Berechnung der zeitlichen Ableitung des Mischungsverhältnisses. Durch den Einsatz von „optischen Fluss“- Methoden kann aus dem Doppelbild auch ein Vektorfeld der Bewegung der Gemischwolken bestimmt werden (Fluorescence Motion Analysis, FMA, siehe Abbildung 3).

: Abbildung 3: Double pulse FARLIF imaging

Schließlich kann diese FMA-Messung mit einer simultanen PIV-Messung kombiniert werden, die – ergänzend – das momentane Strömungsfeld wiedergibt.

Erst die Kombination dieser Messmethoden gewährt einen tieferen Einblick in die dynamische Gemischbildung von Kraftstoff und Luft. Sie wird im Rahmen der fortschreitenden Untersuchungen in optisch zugänglichen Motoren eingesetzt.

Weitere Informationen:

Scholz J., Röhl M., Beushausen V.: Mischungsfeldanalyse mit Fuel-Air-Ratio-LIF. Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 13. Fachtagung der Deutschen Gesellschaft für Laser-Anemometrie GALA e.V., Cottbus, 6.-8.September, 2005

Scholz J., Röhl M., Wiersbinski T., Beushausen V.: Verification and Application of Fuel-Air-Ratio-LIF, 13th Int. Symp. on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 26-29 June, 2006

Scholz J., Wiersbinski T., Beushausen V.: Planare Fuel-Air-Ratio-LIF und PIV zur Gemischbildungsanalyse von Realkraftstoff, Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 14. Fachtagung der Deutschen Gesellschaft für Laser-Anemometrie GALA e.V., Braunschweig, 5.-7. Sept. 2006

Scholz J., Röhl M., Wiersbinski T., Beushausen V.: Planar Fuel-Air-Ratio-LIF with Gasoline, 12th International Symposium on Flow Visualization, Göttingen, 10-14 September, 2006

Scholz J., Wiersbinski T., Beushausen V.: Kombination von FARLIF und PIV zur Gemischbildungsanalyse von Realkraftstoff in A. Leipertz (Hrsg.): Motorische Verbrennung- Aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze, Bericht zur Energie- und Verfahrenstechnik (BEV) 7.1, ESYTEC, Erlangen, S. 293-302, 2007

Scholz J., Wiersbinski T., Beushausen V.: Planar Fuel-Air-Ratio-LIF with Gasoline for dynamic mixture-formation investigations, SAE-world congress, Detroit, USA, April 2007, SAE Paper 2007-01-0645

Scholz J., Wiersbinski T., Ruhnau P., Kondermann D., Garbe C.S., Hain R., Beushausen V.: Double-pulse planar-LIF investigations using fluorescence motion analysis for mixture formation investigation, Experiments in Fluids, Vol. 45, Issue 4, S. 583-593, 2008

Förderung:

Schwerpunktprogramm SPP 1147 "Bildgebende Messverfahren für die Strömungsanalyse" der Deutschen Forschungsgesellschaft DFG

Kooperationspartner:

Universität Göttingen, DPI
Universität Heidelberg, IWR
Universität Mannheim, CVGPR
Universität Münster, Inst. F. Angew. Physik
TU Braunschweig, ISM
FH Hildesheim Holzminden Göttingen