Maier, Axel (2022)
Innermotorische Partikelgrößenbestimmung mit der Methode der zweidimensionalen zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019677
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Dissertation wurde die Methode der zweidimensionalen zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz (2D-TiRe-LII) für die Partikelgrößenbestimmung in einem optisch zugänglichen Einzylinder-Ottomotor eingesetzt. Bei der LII-Messtechnik werden Rußpartikel mittels eines Laserpuls nahe an die Sublimationstemperatur erhitzt und die resultierende Schwarzkörperstrahlung mit Sensoren aufgenommen. Bei der Methode der TiRe-LII werden typischerweise Signale, die aus sehr kleinen, annähernd punktförmigen Detektionsvolumen stammen mittels Photomultiplier zur Aufnahme des zeitaufgelösten LII-Signals benutzt. Um den im Vergleich zu Standard-Brennern erschwerten Randbedingungen in einem gefeuerten Motor gerecht zu werden, wurden folgende Maßnahmen getroffen: Zur Bildaufnahme wurde eine Kamera eingesetzt, in der das Bild mittels Strahlteiler auf acht unabhängige bildverstärkte CCD-Sensoren gelenkt wird. Da die einzelnen Kanäle unabhängig voneinander angesteuert werden, kann die sehr schnell abklingende Lumineszenz der Partikel zeitlich aufgelöst werden. Es wurde auf ein in der LII-Forschung bewährtes Modell zur Berechnung der Partikelgrößen gesetzt. In das Modell geht die örtlich aufgelöste Laserfluenz ein, die beim Einsatz am optisch zugänglichen Motor nicht mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden kann. Das Modell wurde deswegen mittels Zwei-Farben-Pyrometrie ergänzt, denn die damit gemessene Spitzentemperatur der Partikel nach Absorption des Laserpulses kann alternativ zur Laserfluenz verwendet werden. Optische Motoren verfügen über einen Kolbenring aus Graphit ohne Ölschmierung zur Schonung der optischen Zugänge. Folglich können Partikel in optischen Motoren ausschließlich aus der Verbrennung des Kraftstoffs und nicht als Rückstand oder Asche aus der Verbrennung des Motoröls entstehen. Um sicherzustellen, dass am optischen Motor gewonnene Erkenntnisse über Partikel auf thermodynamische Motoren übertragbar sind, wurde ein konventioneller Einzylinder-Ottomotor auf Wasserstoffbetrieb umgerüstet. Ohne Kohlenstoff im Kraftstoff verbleiben als Partikelquellen nur Abrieb und Motoröl, und mittels Vergleich zum Betrieb mit Benzin kann festgestellt werden, welcher Anteil der Partikel aus der Verbrennung des Benzins stammt. Der experimentelle Versuchsaufbau wurde an zwei gut erforschten Standardbrennern optimiert und validiert. Der McKenna-Brenner erzeugt eine sehr stabile, homogene und rußarme Flamme, während am Gülder-Brenner eine stark inhomogene Diffusionsflamme studiert werden kann. Die Versuchsergebnisse und ihr Vergleich mit Literaturwerten belegen die Einzelschussfähigkeit des experimentellen Aufbaus, legen aber auch Schwächen wie ein sehr geringes Signal-Rausch-Verhältnis offen. Die Kraftstoffstudie am optischen Motor zeigte eine geringe Anzahl an auswertbarem Signal. Die am optischen Motor durchgeführten Versuche belegen die prinzipielle Eignung des messtechnischen Konzeptes und zeigen, dass Partikelentstehung von Zyklus-zu-Zyklus sehr unterschiedlich ablaufen kann. Allerdings reichte die Datenbasis nicht aus, um Zusammenhänge zwischen Partikelmengen und -größen sowie bekannten motorischen Einflussgrößen wie der Kraftstoffzusammensetzung wiederzufinden.

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