Temperaturmessungen innerhalb von Verbrennungsmotoren

Ein wichtiger physikalischer Parameter für die technische Verbrennung ist die Temperatur. Diese ist sogar von entscheidender Bedeutung bei der Entwicklung neuerer Verbrennungskonzepte in zukünftigen Motorgenerationen.

Mit Hilfe laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) erhält man eine Temperaturinformation berührungslos und mit hoher zeitlicher bzw. örtlicher Auflösung. In der Arbeitsgruppe Photonische Sensorik wird ein solches LIF-Verfahren angewandt. Hierbei wird ein Tracermolekül angeregt und dabei ausgenutzt, dass im angeregten Zustand eine Energieverteilung auf einzelne Energieniveaus stattfindet. Die Besetzungen dieser Zustände können mit Hilfe einer Boltzmann-Verteilung beschrieben werden. Wenn diese Thermalisierung abgeschlossen ist, befindet sich das Molekül im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebungstemperatur. Somit sind die Besetzungsdichten temperaturabhängig. Die Besetzungsdichten der einzelnen Zustände spiegeln sich in der jeweiligen Fluoreszenzintensität wider. Bei diesem Verfahren muss die Thermalisierung innerhalb der Fluoreszenzlebensdauer abgeschlossen sein. Für das in der Arbeitsgruppe Photonische Sensorik entwickelte Verfahren wird Formaldehyd als Tracermolekül verwendet und mit Hilfe eines frequenzverdreifachten Nd:YAG-Lasers angeregt.

Bei dieser spektroskopischen Abfrage werden Besetzungsdichten zweier angeregter Zustände mit Hilfe eines Spektrometers und einer bildverstärkten Kamera detektiert. Mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung wird über die Verhältnisbildung der beiden Fluoreszenzintensitäten die Temperaturinformation generiert.

Dieses Verfahren wurde an einer temperierbaren Druckzelle untersucht. Dabei wurden Untersuchungen sowohl mit Formaldehyd/Luft-Gemischen als auch mit Formaldehyd angereicherten Kraftstoff/Luft-Gemischen durchgeführt. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses der Übergänge 2⁰₂4¹₀ (403nm) und 2⁰₁4¹₂ (413nm).

Dieses Verfahren wird in einem Sensorsystem realisiert, welches zeitlich aufgelöste, eindimensionale Messungen im ungezündeten Motorenbetrieb ermöglichen soll. Desweiteren ist eine zweidimensionale Temperaturerfassung mit einem bildverstärkten Kamerasystem in Entwicklung.

Kooperationspartner:

• Volkswagen AG

Weiterführende Informationen:

Müller, R., Beushausen, V., 2005: „Grundlegende Untersuchungen zur Bestimmung der Ladungstemperatur in Verbrennungskraftmaschinen“, 13. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (GALA), Cottbus

Müller, R., Beushausen, V., 2007: „Messverfahren zur Bestimmung der Ladungstemperatur in Verbrennungskraftmaschinen mit Hilfe laserinduzierter Fluoreszenz“, Tagung Motorische Verbrennung 2007, München