Endoskopische Laserinduzierte Fluoreszenz. Optimierung der Gemischbildung an seriennahen Vollmotoren

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1 Endoskopische Laserinduzierte Fluoreszenz Optimierung der Gemischbildung an seriennahen Vollmotoren 1

2 Ansprechpartner: D Michael Günther Wir entwickeln, was bewegt: IAV Ihr Partner für Automotive Engineering Unser Engineering bewährt sich in Fahr - zeugen auf der ganzen Welt. Als einer der führenden Entwicklungspartner der Auto mobilindustrie bietet IAV mehr als 30 Jahre Erfahrung und ein unübertroffenes Kompetenzspektrum. Mit Leidenschaft und der Kompetenz für das ganze Fahrzeug realisieren wir Lösungen in technischer Perfektion. Dabei haben wir rationale und emotionale Aspekte gleichermaßen im Blick. Hersteller und Zulieferer unterstützen wir weltweit mit mehr als Mitarbeitern und einer erstklassigen Ausstattung bei der Realisierung ihrer Projekte vom Konzept bis zur Serie: Ihre Ziele sind unser Auftrag. London Deutschland Detroit Paris Moskau Beijing Seoul Modena Shanghai Tokio Standorte in Deutschland: Berlin Chemnitz Dresden Friedrichshafen Gifhorn Ingolstadt Kassel Ludwigsburg München Neckarsulm Neustadt Nürnberg Regensburg Rostock Rüsselsheim Weissach Mexiko-Stadt São Paulo Pune Weltweite Entwicklungskompetenz von IAV

3 Inhalt Möglichkeiten optischer Messtechnik 4 Ideale Kombination: optische Messtechnik, CFD-Simulation und langjährige Erfahrung in der Motorenentwicklung Laserinduzierte Fluoreszenz 5 Physikalischer Hintergrund LIF Messungen im Verbrennungsmotor 6 Ausgewählte Messgrößen Endoskopisches Verfahren 7 Aufbau und Anordnung des Erfassungssystems, Anordnung der Komponenten Anwendung des Messverfahrens am Vollmotor 10 Aufbau und Kalibrierung der Signale Bewertungsgrößen der Gemischbildung 12 Verwendung von Kennzahlen zur Charakterisierung des Gemisches Optimierung der Gemischbildung am Vollmotor 14 Visualisierung der Gemischverteilung Unsere Leistungen im Überblick 15 Brennverfahrensentwicklung, Gemischbildungsoptimierung und Fehleranalyse Änderungen vorbehalten, Stand : M 01/2014

4 Möglichkeiten optischer Messtechnik Ideale Kombination: optische Messtechnik, CFD-Simulation und langjährige Erfahrung in der Motorenentwicklung Die Vorteile niedriger Produktionskosten, flächendeckender Ver sor - gung mit Kraftstoff und großer Reichweite verleihen dem Verbrennungs - motor nach wie vor eine hohe Attraktivität. Die Zukunft des Verbrennungsmotors wird aber noch viel stärker von dessen Effizienz abhängen. Die Verringerung des Kraftstoffverbrauches bei gleichzeitig weiterer drastischer Begren zung der Schadstoffemissionen steht verstärkt im Fokus der Entwickler. Im Entwicklungsprozess gewinnen Effi - zienz und Schnelligkeit immer stärker an Bedeutung. Neben dem verstärkten Einsatz der Simulation (insbesondere 1D und CFD) stehen mit modernen laseroptischen Messverfahren für Strömung (z. B. Doppler Global Velo cimetrie, DGV) und Gemischverteilung (z. B. Laser induzierte Fluoreszenz, LIF) wertvolle Werk zeuge zur Bewertung realer inner motor ischer Prozesse zur Verfügung (Abbildung 1). Mit Laserinduzierter Fluoreszenz können Stoffkonzentrationen visualisiert werden. Für die Gemischbildung im Verbrennungs - motor ist dabei die planar endoskopisch gemessene Lambdaverteilung von zentralem Interesse. Dem Kraftstoff werden dafür Tracer zugesetzt, die in bestimmten Wellenlängenbereichen fluoreszieren. Bei Verwendung spezieller Tracer können darüber hinaus die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration ermittelt werden. Damit aus den Mess- und Simulations - ergebnissen die richtigen Schlüsse gezogen werden, ist jedoch ein fundiertes Verständnis der innermotorischen Vorgänge auf der Basis langjähriger Erfahrung in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren erforderlich. Zylinderkopf Zündkerze 1,50 1,25 Kraftstoffverteilung 1,00 λ [-] Kolben 0,75 Zylinderwand Sichtbereich Kamera 0,50 Abbildung 1: Lambda-Inhomogenität im Brennraum eines Ottomotors mit Direkteinspritzung 4

5 Laserinduzierte Fluoreszenz Physikalischer Hintergrund Die Laserinduzierte Fluoreszenz basiert auf der Anregung von Mole - külen und dem anschließenden Aussenden von Fluoreszenzlicht beim Zurückfallen der Moleküle in den Grundzustand. Die Wellenlänge des emittierten Lichts ist abhängig von den photophysikalischen Eigenschaften des angeregten Moleküls und gegenüber der Anregung zu größeren Wellenlängen hin verschoben (siehe Abbildung 2). Dieser Effekt, genannt Stokes-Verschiebung, ermöglicht die spek - trale Trennung des Fluoreszenzsignals von der Anregung. Mithilfe geeigneter Filter lassen sich somit störende Reflexionen im Vergleich zu anderen optischen Mess - verfahren wie z. B. Mie- oder Rayleigh- Verfah r en erheblich reduzieren. In Abbildung 2 ist exemplarisch ein Fluoreszenzspektrum von Triethylamin (TEA) nach Anregung mit 266 nm dargestellt. Das detektierte Fluoreszenzsignal S fl ist proportional zur Anzahl an Fluoreszenz - photonen, die das Produkt aus absorbierten Photonen und der Fluoreszenzquantenausbeute n fl ist, korrigiert um die Effizienz des Erfassungssystems η und den Beo bachtungswinkel Ω. Das Fluores - zenzsignal wird nach folgendem Ansatz ermittelt [1]: Mit E/hv wird der Photonenfluss des anre - genden Laserstrahls ausgedrückt, n fl ist die Teilchenanzahl des Fluoreszenztracers im Beobachtungsvolumen V mit dem Absorptionsquerschnitt σ abs, Φ fl steht für die Fluoreszenzquantenausbeute. Tracer Für Konzentrationsmessungen von Stoffen, die selbst nicht oder nur unzureichend fluo - reszieren, müssen Spurstoffe, soge nann te Tracer, beigefügt werden. Zur Vermeidung von unzulässigen Beeinflussungen eines untersuchten Zustandes durch den Tracer selbst sollte dieser hinsichtlich seiner phy - sikalischen Eigenschaften ähnlich der zu untersuchenden Substanz sein. Typische Tracer für motorische LIF-Messungen sind Aceton und Diethylketon (Ketone), Toluol und Naphtalin (Aromaten) sowie Trimethylamin und Triethylamin (Amine). Die Lichtemission ist sowohl von der jeweiligen Stoffgruppe als auch von Randbedingungen wie Temperatur, Druck und Sauerstoffgehalt des umgebenden Mediums abhängig. Beispielsweise sind Ketone durch geringe Frequenzquantenausbeute gekennzeichnet, wohingegen Aromaten (Toluol) und Amine (Triethylamin) eine sehr starke Fluoreszenz aufweisen (Abbildung 3). Zudem spielt die Abhängigkeit der Fluo - reszenz von Druck und Temperatur eine entscheidende Rolle bei motorischen Untersuchungen. Bei fort schreitender Verdichtung zeigt sich, dass das anfänglich gute Fluoreszenzsignal von Toluol stark abnimmt und in der Nähe des Zündzeitpunktes mit dem der Ketone vergleichbar ist. [1] Schulz, C., Sick, V.: Tracer-LIF diagnostics: quantitative measurement of fuel concentration, temperature and fuel/air ratio in practical combustion systems Progress in Energy and Combustion Science 31 (2005) Fluoreszenzintensität [w. E.] Anregung Filter Triethylamin Fluoreszenzintensität normiert [-] Triethylamin (5 % vol.) Diethylketon (20 % vol.) Toluol (5 % vol.) Aceton (20 % vol.) Wellenlänge [nm] LWOT UT ZOT Abbildung 2: Fluoreszenzspektren von Triethylamin nach Anregung mit 266 nm Abbildung 3: Fluoreszenzspektren unterschiedlicher Tracer unter motorischen Bedingungen 5

6 LIF Messungen im Verbrennungsmotor Ausgewählte Messgrößen Verteilung des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses Für reproduzierbare motorische Unter - suchungen werden nicht fluoreszierende Ersatzkraftstoffe verwendet, die mit Tracern definierter Konzentration versetzt wurden. Bei homogener Verteilung des Tracers im Ersatzkraftstoff ist die Intensität des Fluo - reszenzsignals S fl zur Konzentration des Kraftstoffes c Kst proportional, somit auch zum Kraftstoff/Luft-Verhältnis Ф sowie umgekehrt proportional zur Luftzahl λ. Das bei IAV eingesetzte Messverfahren basiert auf spezifischer Abstimmung von Kalibriersystematik, Tracerdosierung sowie Mittelung von Einzelbildern. Für Einzelbilder wird eine Messgenauigkeit von 5 % erreicht. Temperaturverteilung Im Gegensatz zur Kraftstoffkonzentrationsmessung basiert die Ermittlung der Tem - peratur im Brennraum auf der Bildung von Signalverhältnissen. Dabei wird der photophysikalische Effekt der Verschiebung des Fluoreszenzspektrums des Tracers Toluol in Abhängigkeit von der Temperatur genutzt (Ab bildung 4). Ein dichroitischer Spiegel teilt das Fluoreszenzsignal in unterschiedliche Wellenlängenbereiche auf, die von zwei Kameras inklusive Bildverstärkern erfasst werden. Das Verhältnis der Signale beider Kameras liefert unter Einbeziehung der Kalibrierkurven für die jeweiligen Randbedingungen den Temperaturwert. Restgasverteilung Die räumliche Visualisierung von intern zu - rückgehaltenem oder zurückgesaugtem Rest gas im Brennraum ist durch ein in di - rektes Messverfahren möglich. Das Restgas wird als Komplementärmasse zur getracerten Frischluft im Brennraum erfasst. Der Rest gasanteil φ RG ergibt sich aus dem Frischluftanteil φ FL, wobei φ FL direkt proportional zum Fluoreszenzsignal ist. Rußverteilung Die Visualisierung von Rußpartikeln im Brennraum basiert auf der Laserinduzierten Inkandeszenz (LII). Dabei werden mittels Laserlicht Rußpartikel bis auf ca C (etwas unterhalb der Sublimationstemperatur) aufgeheizt. Mit Detektion der Planck schen Strahlung der Partikel kann die planare Verteilung des Rußes ermittelt werden. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen LIF-Verfahren wird diese Messmethode mit einer Anre - gungswellenlänge von 532 nm realisiert. blue channel red channel norm. LIF intensity [-] K 750 K 500 K 296 K 248 nm excitation norm. signal ratio [-] signal ratio ( / ) emission wavelength [nm] Abbildung 4: Fluoreszenzspektrum Toluol bei unterschiedlichen Temperaturen temperature [K] 6

7 Endoskopisches Verfahren Aufbau und Anordnung des Erfassungssystems Untersuchungen am Transparent - mo tor bedingen deutliche Ein schränk u ngen hinsichtlich motorischer Betriebsbereiche, Messdauer wie auch der Übertragbarkeit zum Voll motor. Mit dem endoskopischen Verfahren sind optische Messungen mit seriennahem Auf bau ohne relevante Veränderungen der Motorkonstruktion und Einschränkung der Betriebspunkte möglich. Die einfache Adaption der erforderlichen zwei rechtwink - lig zueinander angeordneten optischen Zugänge für Anregung und Signalerfassung erhöht deutlich die Flexibilität beim Einsatz der LIF-Technik im Vergleich zu den bislang verwendeten Einzylinder-Transparentmoto - ren (Abbildung 5). Die relativ einfache Montage der optischen Komponenten reduziert die Stillstandzeiten zur Reinigung der Bauteile und erhöht die Effizienz der Analysen. Die Anordnung der Komponenten kann entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung sehr flexibel vorgenommen werden. Dabei sind unterschiedliche Laserlichtschnittebenen unter Beibehaltung der Positionierung des Kameraendoskops realisierbar. Dies ermöglicht Verfahren zur Er mittlung der räumlichen Verteilung der ausgewählten Messgrößen. Abbildung 5 zeigt exemplarisch verschie - dene Auslenkungen des Laserlichtschnitts, generiert durch entsprechende Gestaltungen der Lichtschnitt-formenden Linse im Endoskop. Laserlichtschnitt A Laserlichtschnitt B Laserlichtschnitt C Zylinderwand Kameraobjektiv Wechsellinse Laserendoskop Abbildung 5: unterschiedliche Auslenkungen des Laserschnitts mittels Wechsellinsen zur Erzeugung eines 3-D-Bildes 7

8 Endoskopisches Verfahren Aufbau und Anordnung des Erfassungssystems Die Einkopplung des energiereichen Laserlichts in den Brennraum des Verbrennungsmotors erfolgt mithilfe eines Laser endos kops. Diese Komponente optimiert das Strahlprofil, reduziert den Strahldurchmesser und er - zeugt an der Endoskopvorderseite einen divergenten Laserlichtschnitt. Den Grundstein für die endoskopische Variante bildet ein minimal invasives Werkzeug zur Er fas sung von Signalen im ultravioletten Bereich. Das im Motor positionierte Kameraendoskop ist zweistufig ausgelegt. Mithilfe zweier Quarzlinsen wird auf der Rückseite (außerhalb des Brennraums) ein chromatisch unkorrigiertes Zwischenbild der Laserinduzierten Fluoreszenz abgebildet. Das mit einem Ab stand von 200 mm dahinter angeordnete Relay enthält eine Feldlinse und ein diffrak tives optisches Element. Mit diesem Bau teil kann das Bild der Laserinduzierten Fluoreszenz auf der sensitiven Fläche des Erfassungs - systems chro matisch korrigiert abgebildet werden. Der erforderliche Abstand zwischen beiden Komponenten ermöglicht die einfache Adaption der Mess technik selbst an seriennahen Vollmotoren mit entsprechenden Anbauteilen und Nebenaggregaten (Abbildung 6). Laserlichtschnitt Filter Bildverstärker CCD-Kamera Kameraobjektiv Relay Kameraendoskop Abbildung 6: Aufbau eines endoskopischen Erfassungssystems 8

9 Endoskopisches Verfahren Anordnung der Komponenten Der konstruktiven Anordnung der beiden Zugänge in kleinen Brennräumen mit 4 Ventilen, Zündkerze und Injektor ist besondere Bedeutung beizumessen. Kamera endoskop Abbildung 7 zeigt ein Konstruktionsbeispiel für die Realisierung im Downsizing- Otto motorenkonzept mit kleiner Bohrung. Ein günstiger Zugang für das Laser - endos kop befindet sich in diesem Fall zwischen den Auslassvent ilen. Damit wird ein zentraler vertikaler Laser - lichtschnitt eingebracht, in dessen Ebene sich Zündkerze und seitlicher Injek tor befinden. Im unteren Teil der Abbildung ist die Form des Laserlichtschnittes blau eingezeichnet. Lichtschnitt Laser endoskop Auslasskanal Zündkerze Sichtkegel Einlasskanal Die Beobachtungsebene, visualisiert durch den orange markierten Kreis, spannt sich annähernd rechtwinklig zur Laserlichtschnittebene auf. Die gewählte Positionierung der Komponenten im Brennraumdach gewährt un abhängig von der Stellung des Kolbens Einblick in die innermotorischen Prozesse über das gesamte Arbeitsspiel. Sichtbereich der Kamera Injektor Lichtschnitt Neben der Analyse des gesamten Gemischbildungsprozesses eignet sich diese Variante be sonders für Untersuchungen der lokalen Gemischzusammensetzung im kerzen nahen Bereich zum Zündzeitpunkt. Kolben Abbildung 7: Ausführungsbeispiel an einem kleinvolumigen Ottomotor in horizontaler und vertikaler Ansicht 9

10 Anwendung des Messverfahrens am Vollmotor Aufbau und Kalibrierung der Signale Wichtige Größen zur Bewertung des Gemischbildungsvorgangs sind der Grad der Homogenisierung, die lokale Luftzahl λ und deren zyklische Schwankungen. Um präzise quan - titative Aussagen zur Kraftstoffverteilung treffen zu können, ist eine Zuordnung von Lichtintensität und Lambdawert erforder - lich. Dafür wird mit ideal homogenem Ge - misch mit definiertem Lambdawert kalibriert. Abbildung 8 zeigt den Versuchsaufbau mit adaptiertem Vormischsystem. Das von IAV entwickelte System erlaubt Messungen mit einem Kraftstoffmassenstrom von 80 kg/h. Durch Kaskadierung ist eine Erweiterung auf größere Massenströme möglich. Der Einsatz eines Vormischsystems bietet die Möglichkeit, die motorischen Wirkungen von lokalen Inhomogenitäten von Lambda oder Restgas getrennt voneinander zu messen. Damit können deutlich präziser Ursachen für zyklische Schwankungen im Verbrennungsprozess des Ottomotors er fasst und anschließend bei Parameter - stu dien zur Optimierung berücksichtigt wer den. Aufgrund der Bereitstellung eines ideal homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches lässt sich der Einfluss der Gemischbildung auf die zyklischen Schwankungen des Verbrennungsprozesses in sämtlichen Betriebspunkten quantifizieren. Abbildung 8 zeigt schematisch den für endoskopische Messungen optimierten Systemaufbau am Motor. Für die sichere Handhabung am Motorprüfstand sind im Anregungssystem neben dem Laser wei - tere Komponenten wie Laser-Shutter, Ener giemonitor, Laserlichtführungsarm und das Laserendoskop mit Dichthülse erforderlich. Anregungssystem Laserlichtführungsarm Energiemonitor Speziell der Laserlichtführungsarm ver - einfacht den Messaufbau erheblich, erhöht den Laserschutz und ermöglicht die Reduzierung von Sicherheitsmaßnahmen im Vergleich zum Mess aufbau mit Transparentmotor. Laser-Shutter Laser 10

11 Vormischsystem Zylinderkopf Laserendoskop Kameraobjektiv Erfassungssystem Abbildung 8: Gesamtsystem im Überblick 11

12 Bewertungsgrößen der Gemischbildung Verwendung von Kennzahlen zur Charakterisierung des Gemisches Zur exakten und vor allem effizienten Optimierung ist die Definition geeig - neter Kenngrößen zur Bewertung des Gemischbildungsprozesses erforderlich. Der Vergleich mit thermodynamischen Bewertungsgrößen ist entscheidend für Optimierungsverfahren auf Basis optischer Messungen. Als besonders bedeutsam haben sich drei Bewertungsgrößen herausgestellt: Zyklische Schwankungen der Gemischzusammensetzung Gemischhomogenität im Zyklus Gradient der Kraftstoffkonzentration Variationskoeffizient Robustheit Lambda im definierten Bereich über mehrere Arbeitsspiele gemitteltes Lambda im definierten Bereich Standardabweichung des Lambda im definierten Bereich über mehrere Arbeitsspiele Zyklische Schwankungen der Gemischzusammensetzung Die Robustheit des Gemisches in einem definierten Bereich (Abbildung 10, rotes Quadrat) wird mithilfe des VAK φrob bewertet und drückt aus, wie stark die Gemischzusammensetzung in diesem Bereich von Zyklus zu Zyklus schwankt. VAK φrob ergibt sich gemäß der Beziehung: wobei die Laufvariable i für die Arbeits - spielnummer steht. Für die Betrachtung der Robustheit wird das Signal in einem fest - gelegten Bereich B gemittelt. Anschließend wird der Variationskoeffizient über mehrere Arbeitsspiele gebildet und als Kenngröße für zyklische Schwankungen genutzt., Gemischhomogenität im Zyklus Die Bewertungsgröße zur Homogenität des Gemisches VAK φhom ergibt sich gemäß: wobei λ PK für den im Pixel k ermittelten Lambdawert steht und λ LS den Mittel wert über alle Pixel im betrachteten Bereich beschreibt. Typischerweise wird VAK φhom für den gesamten Sichtbereich ermittelt. Abbildung 9 illustriert die Abweichung der realen Kraftstoffverteilung (unten) vom vollständig homogenisierten Zustand (oben). Variationskoeffizient Homogenität Anzahl der Pixel im Lichtschnitt Laufvariable der Pixel im Lichtschnitt Standardabweichung Lambda im Lichtschnitt Lambda im Lichtschnitt Lambdawert im Pixel, ideale Gemischhomogenisierung 1,2 1,2 1,1 1,1 1,0 λ [-] reale Gemischhomogenisierung 1,0 λ [-] 0,9 0,9 0,8 0,8 Abbildung 10: Robustheit des Gemisches im ausgewählten Bereich Abbildung 9: Homogenität des Gemisches im gesamten Lichtschnitt; oben: ideal homogenisiert; unten: reale Gemischverteilung 12

13 λ [-] Gradient Bewährt hat sich eine Gradientenanalyse mit definiertem Startpunkt. Er wird berechnet: Abbildung 11 oben zeigt exemplarisch die Orientierung ausgewählter Lambdagradienten im Brennraum, ausgehend von der Zündkerze. 1,2 1,1 Luftzahl Orientierungswinkel des zu bestimmenden Gradienten im Lichtschnitt Abstand vom gewählten Ursprung Hohe Gradienten können z. B. schlechte Robustheitswerte und eine stärkere Nei - gung des Brennverfahrens zu zyklischen Schwankungen hervorrufen. Auch zur Be - wertung der Entflammungsbedingungen sind die Gradientwerte gut geeignet. Im unteren Teil der Abbildung sind die Werte der Gradeinten in Abhängigkeit der Orientierung in einem polaren Diagramm aufgetragen. Werte größer 0 stehen hier für Anstieg des Lambda bzw. Absinken der Kraftstoffkonzentration in der betrachteten Orientierung. Winkel [ ] 0 Gradient [1/mm] -0,5 0 +0,5 [1/mm] ,0 0,9 0, Abbildung 11: Gradient der Gemischzusammensetzung in definierten Richtungen Temperaturverteilung des Gemisches Lokale Temperaturunterschiede beeinflussen sowohl die Kraftstoffverdampfung als auch die Vorreaktionen im Gemisch als Basis für irreguläre Verbrennungen (z. B. ottomotorisches Klopfen). Die Temperaturverteilung im Brennraum kann mithilfe endoskopischer LIF-Messtechnik realitätsnah am Vollmotor gemessen werden. Sichtbar wird zum einen ein Temperaturanstieg infolge Kompression und zum anderen die deutliche Ungleich verteilung im Zylinder. Wie in Abbildung 12 zu erkennen, lassen sich mit dieser Methode lokale Extrema der Temperatur im Brennraum ermitteln. Ebenso kann der Temperaturverlauf speziell für ausgewählte Bereiche des Brennraums über dem Kurbelwinkel dargestellt werden. Temperatur [K] 75 KW v. ZOT 30 KW v. ZOT Kurbelwinkel [ KW v. ZOT] Abbildung 12: Temperaturverlauf und -verteilung in der Kompressionsphase 800 Temperatur [K] 13

14 Optimierung der Gemischbildung am Vollmotor Visualisierung der Gemischverteilung Lambdaverteilung Die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum (vgl. Abbildung 13, rechts) ist von zentraler Bedeutung für den Verlauf der Wärmefreisetzung und damit den Wirkungsgrad sowie für die Schadstoffbildung. Unerwünschte lokale Unterschiede verursachen erhebliche Störungen des Verbrennungsablaufes bis hin zu Zündaussetzern. Mithilfe endoskopischer LIF- Messtechnik lassen sich systematische wie auch stochastische Gemischbildungsfehler am Vollmotor erkennen. Darüber hinaus kann mithilfe der Mittelwertbildung der gesamte Gemischbildungsprozess, angefangen vom Beginn der Einspritzung bis hin zur Entflam mung des Kraftstoff-Luft- Gemisches, auf gezeichnet und sowohl zur Analyse als auch zum Abgleich von CFD- Simulationsmodellen verwendet werden. Bewertung zyklischer Schwankungen Geringe zyklische Schwankungen der Gemischverteilung bilden die Basis für eine hohe Restgasverträglichkeit und stabile Zündbedingungen im Zylinder. Abbildung 13, rechts, zeigt die zweidimensionale Verteilung der Luftzahl zum Zündzeitpunkt für 3 unterschiedliche Arbeitsspiele. Markant in diesem Beispiel ist das im Zyklus 3 gemessene sehr magere Gemisch an der Zündkerze und die damit einhergehenden Konsequenzen für den Zylinderdruckverlauf, Abbildung 13 links. Um zyklische Schwankungen der Wärmefreisetzung effektiv zu reduzieren, ist es erforderlich, deren Ursache und die Wirkung möglicher Verbesserungsmaßnahmen zu kennen. Optimierungsmöglichkeiten Mithilfe der endoskopischen LIF wird die Gemischbildung effizient und fundiert optimiert. Änderungen an Motorhardware oder Betriebsstrategie wie z. B. Brennraumgeometrie, Ladungsbewegung, Hardwareparameter des Injektors, Einspritzstrategie, Ladungswechselstrategie, können hinsichtlich ihrers Einflusses auf die Gemischbildung schnell bewertet werden. Damit wird eine effiziente Motorenentwicklung ermöglicht, Ziele wie Reduktion der Partikelbildung, Verringerung der Emissionen gasförmiger Schadstoffe, Reduzierung der Klopfneigung oder Optimierung der Ladungsverdünnungs - toleranz werden schneller erreicht. Zyklus 1 1,2 1,1 Zylinderdruck [-] Zyklus 2 1,0 0,9 Zyklus 3 0, Kurbelwinkel [ KW n. LWOT] λ [-] Abbildung 13: gravierende Unterschiede im Druckverlauf als Folge magerer oder fetter Gemischzusammensetzungen an der Zündkerze 14

15 Unsere Leistungen im Überblick Brennverfahrensentwicklung, Gemischbildungsoptimierung und Fehleranalyse IAV bietet eine effiziente Optimierung der Gemischbildung mittels laseroptischer Messverfahren. Das Spektrum reicht von Untersuchungen mit LIF am Glasmotor oder endoskopischen Analysen am Vollmotor bis zur Übernahme von Einzelmessungen zum Abgleich von CFD-Modellen. Im Fokus stehen Motorenentwicklungsprojekte, einschließlich: konstruktiver Auslegung der optimalen Einkopplung der optischen Komponenten in den Vollmotor, mechanischer Fertigung, Planung, Durchführung und Auswertung von qualitativ hochwertigen LIF- Messungen, Bewertung der Ergebnisse auf Basis von statistischen Betrachtungen und Kennzahlen. Abbildung 14: beispielhafter Aufbau des Einkamerasystems am Motor Vor dem Hintergrund langjähriger Erfah r ung in der Motorenentwicklung erarbeitet IAV Lösungsansätze und leitet aus den Ergebnissen weitere Entwicklungsschritte in der Brenn verfahrens entwicklung ab. Abbildung 15: Anregungssystem am Prüfstand Anwendungsbeispiele Restgasnester: Hohe AGR-Raten bewirken einen direkten Verbrauchsvorteil, bringen aber seitens der Verbrennung Nachteile mit sich. Inhomogenitäten und somit lokal hohe Restgaskonzentrationen müssen vermieden werden. Bei der Verbesserung der lokalen Restgasverteilung kann die Kombination aus Messung der Zylinderinnenströmung mittels DGV und Messung der lokalen Restgaskonzentration mittels LIF gewinnbringend eingesetzt werden. Klopfen: Gemischinhomogenitäten, lokale Tem - peratur erhöhung oder auch Öl im Brenn - raum führen zu irregulären Verbrenn ungs - vorgängen, die den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors senken. Die kombinierte Messung der wandnahen Öl- und Kraftstoffkonzentration mittels LIF und der lokalen Temperaturmessung mittels Temperatur-LIF ermöglicht die gezielte Untersuchung lokaler Klopfzonen. Partikel: Lokale Fettzonen in Kombination mit hoher Temperatur sind Quellen der Partikelbildung. Die Messung der Kraft stoffkonzentration mittels LIF ermöglicht es, Quellen der Partikelbildung zu identifizieren. Mit Laser induzierter Inkandeszenz werden Partikel im Brennraum visualisiert. 15

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