Golzke, Hendrik (2016)
Infrarotmesstechniken in der Otto-Motoren-Forschung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Abnahme der weltweiten Ölvorräte und die zunehmende Erwärmung unserer Erdatmosphäre stellen aktuelle Mobilitätskonzepte vor eine große Herausforderung. Eine Effizienzsteigerung von Otto-Motoren kann mittelfristig für eine Lösung sorgen und Wissenschaft und Industrie mehr Zeit bei der Entwicklung von Alternativen einräumen. Methoden, die die Effizienz von Otto-Motoren steigern können, wie zum Beispiel die Benzindirekteinspritzung, sorgen für einen größeren Aufwand bei der Motorenentwicklung. Damit Entwicklungszyklen trotzdem schnell und kostengünstig gehalten werden, müssen experimentelle Tests durch Simulationen ersetzt werden. Diese Arbeit liefert mit der Kombination von Infrarot-Diagnostik und Themen der Motorenentwicklung neue Techniken zum Abgleich von Simulation und Experiment und trägt damit zur Verbesserung der Voraussagekraft von strömungsmechanischen Rechnungen bei.

Es wird dazu ein verbessertes differentielles Infrarotthermographie-Verfahren zur Temperaturmessung von Sprays anhand ihrer thermischen Strahlung vorgestellt. Gerade bei der Bewertung des Phasenübergangs ist es essentiell, die auftretenden Temperaturen korrekt vorherzusagen. Die Aufnahme mehrerer Referenztemperaturen und die Einführung einer mehrstufigen Kalibrierung erhöhen die Genauigkeit des Verfahrens und die Geschwindigkeit mit der es durchgeführt werden kann.

Neben der Anwendung der differentiellen Infrarotthermographie an Sprays wird auch erstmals eine numerische Strömungsmechaniksimulation mit anschließendem Ray-Tracing dazu benutzt, die Aussagekraft der Temperaturmessungen zu bewerten und den Einfluss von Störgrößen vorhersagen zu können. Hierbei wird insbesondere der Beitrag von Streuung zur gemessenen Temperatur bewertet und dargelegt. Streuung sorgt bei Messungen an Sprays für einen systematischen Fehler der gemessenen Temperatur in Richtung der Temperatur der Wände der Spraykammer. Dies bedeutet, dass auch Messungen eines Sprays in einer gekühlten Kammer Abweichungen der gemessenen und realen Spray-Temperatur aufweisen. Dieser Fehler kann durch eine Angleichung von Wand- an Spraytemperatur oder durch einen Wellenlängenfilter minimiert werden.

Desweiteren wird zum ersten Mal das Verfahren der differentiellen Infrarotthermographie zur Messung der Temperaturverteilung von Methaneinblasungen genutzt. Hierbei gibt es aufgrund der sich stark mit der Wellenlänge ändernden Emissivität von Methan einige Besonderheiten zu beachten. In der Arbeit wird gezeigt, dass trotzdem eine Temperaturmessung möglich ist und im Vergleich mit etablierten Verfahren zur kontaktlosen Temperaturmessung an Gasen, wie der laserinduzierten Fluoreszenz, ähnliche Werte liefert.

Zusätzlich wird eine neue Methode zur zweidimensionalen Visualisierung der Mischung von Abgas und Frischluft im Zylinder eines Otto-Motors vorgestellt. Als Messmethode dient dazu die Absorption von Nahinfrarotlicht einer Wellenlänge. Für die Vorhersage der Zündfähigkeit eines Gemisches ist es wichtig, den Anteil und die räumliche Verteilung des Abgases im Zylinder zu kennen. Dabei wird nicht ein möglichst genaues Verfahren entwickelt, sondern ein Verfahren mit möglichst einfacher und robuster zweidimensional aufgelöster Visualisierung erreicht. Ein Vergleich mit der laserinduzierten Fluoreszenz, einem der momentanen Standards zur Visualisierung des Abgas-Luft-Gemisches, rundet die Bewertung des Verfahrens ab. Auch hier wird nachgewiesen, dass das neuartige und das klassische Verfahren ähnliche Werte liefern. Die systematischen Fehler einer quantitativen Messung des Anteils an Abgas für die Infrarotabsorption sind kleiner als bei der laserinduzierten Fluoreszenz, denn das Verfahren hat den Vorteil ohne Tracer auszukommen und direkt auf die Menge an Abgas empfindlich zu sein.

Auf unterschiedlichste Weise können so die Vorteile und die Grenzen von Infrarotmesstechniken in der Otto-Motoren-Forschung gezeigt werden. Der Weiterentwicklung und Bewertung von Messmethoden gilt dabei der Fokus dieser Arbeit.

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