Witzel, Oliver (2013)
In-situ-Laserabsorptionsspektroskopie zur µs-schnellen Bestimmung von Spezieskonzentrationen und Temperaturen in Verbrennungsmotoren.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Optische Messsysteme zur Gasanalyse bei Verbrennungsmotoren bieten durch die Möglichkeit einer schnellen berührungsfreien Untersuchung großes Potenzial zur Optimierung des Verbrennungsprozesses und emissionsreduzierender Verfahren wie beispielsweise der Abgasrückführung (AGR). Für die Optimierung der AGR wird eine Gasanalyse durch transportable Spektrometer benötigt, die ohne aufwendige und fehleranfällige Kalibrationen auskommen. Die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) bietet durch den Einsatz abstimmbarer Diodenlaser eine probenahme- und kalibrationsfreie In-situ-Bestimmung absoluter Gasspezieskonzentrationen und Gastemperaturen. Transmissionsschwankungen und zusätzliche Hintergrundemission können zudem direkt mit dem gemessenen Signal bestimmt und korrigiert werden. Durch die ausgezeichneten Voraussetzungen von TDLAS für die innermotorische Gasanalyse wurden in dieser Arbeit mehrere TDLAS-Spektrometer entwickelt, die eine Bestimmung der H2O-Konzentration und Gastemperatur mit Zeitauflösungen von bis zu 33 µs direkt im Brennraum ermöglichen. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren erfolgte die Bestimmung der Konzentration und der Temperatur ohne Probenahme und Kalibrierung, rein aus Messgrößen und spektroskopischen Daten. Dafür wurde ein Teil dieser benötigten spektroskopischen Daten experimentell bestimmt. Anschließend fand eine Validierung der Leistungsfähigkeit der Spektrometer sowohl an beheizbaren Hochdruckzellen unter Laborbedingungen als auch unter Realbedingungen an zwei Einzylinderforschungsmotoren statt. Zum Einsatz kamen drei unterschiedliche Laser, Distributed Feedback Diodenlaser (DFB-DL) und Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) bei 1370 nm respektive 1392 nm. Gleichzeitig wurde eine ausführliche Untersuchung der Einsetzbarkeit und der Vorteile beider Lasersysteme durchgeführt. Bei den Einzylindermotoren und Drehzahlen von 800–2000 1/min konnte eine Kurbelwinkelauflösung von unter 1° KW in einem untersuchten Temperatur- und Druckbereich von 300–1750 K bzw. 0,05–0,8 MPa erreicht werden, so dass eine zeitlich hochaufgelöste Untersuchung des gesamten Motorzyklus mit Ausnahme der Verbrennung möglich wurde. H2O-Konzentrationen zwischen 500 und 116000 ppm bei Detektionsgrenzen von 130 ppm zu Beginn der Kompressionsphase zeigen den großen Dynamikbereich, der mit den Spektrometern erreicht werden kann. Im Vergleich zu bisherigen Messtechniken können mehrere hundert direkt aufeinanderfolgende Motorzyklen einzeln untersucht werden, um sowohl intra- als auch interzyklische Schwankungen der AGR-Rate zu bestimmen. Des Weiteren gelang der Einsatz an einem BMW-Serienmotor bei Drehzahlen bis 3600 1/min. Zur Nutzung der verfügbaren optischen Zugänge wurde eine faser-optische Schnittstelle entwickelt, die eine Umlenkung des Laserstrahls direkt im Brennraum erlaubt. Messungen bis −100° KW in der frühen Phase der Kompression ermöglichten einen Vergleich der H2OKonzentration mit Ergebnissen aus vorhandenen null- und eindimensionalen Modellen zur Simulation der AGR-Rate. Durch die signifikanten Abweichungen der Modelle untereinander verdeutlicht sich die Notwendigkeit einer unabhängigen Messtechnik zum besseren Verständnis, zur Optimierung und zur Validierung von Simulationsmodellen.

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