Endoskopische Brennraumdiagnostik im seriennahen Ottomotor durch Chemilumineszenz und laserinduzierte Fluoreszenz

Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik der

Universität Duisburg-Essen

zur Erlangung des akademischen Grades

eines

Doktors der Ingenieurwissenschaften

Dr.-Ing.

genehmigte Dissertation

von

Martin Rafael Goschütz aus

Aachen, Nordrhein-Westfalen

Gutachter: Prof. Dr. Sebastian A. Kaiser Prof. Dr. Frank Beyrau

Tag der mündlichen Prüfung: 06. September 2018

Vorwort

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Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter

am Institut für Verbrennung und Gasdynamik – Reaktive Fluide der Universität Duisburg-

Essen. An dieser Stelle möchte ich meinen besonderen Dank den Personen entgegenbringen,

die maßgeblich zur Realisierung der Arbeit beigetragen und mich über die gesamte Zeit

unterstützt haben:

Besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Sebastian A. Kaiser für die stets

gute Betreuung dieser Arbeit, dem wertvollen wissenschaftlichen Gedankenaustausch und den

zahlreichen Impulsen zur Ausrichtung meiner Forschungsschwerpunkte. Die gemeinsame

Arbeit, die in einer angenehmen freundschaftlichen Atmosphäre erfolgte, war für mich

äußerst lehrreich und persönlich bereichernd.

Im gleichen Zuge möchte ich Herrn Prof. Dr. Christof Schulz als Leiter des Instituts für die

Bereitstellung der Infrastruktur und Messtechnik danken, ohne die eine Umsetzung der

Forschungsaufgaben nicht möglich wäre. Darüber hinaus danke ich für das kontinuierliche

Interesse an meiner Arbeit, der damit einhergehenden Ermutigung und Motivation sowie für

die zahlreichen wertvollen Ratschläge.

Ebenfalls und nicht weniger minder möchte ich mich bei meinen Kollegen und Kolleginnen

am Institut für die fachlichen Diskussionen sowie die Hilfsbereitschaft bei praktischen

Problemen am Prüfstand bedanken. Mein Dank geht in erster Linie an Martin Schild, auch für

die gute Zusammenarbeit bei mehreren Messkampagnen, Christian Meffert, Dennis Bensing,

Philipp Barth, Sebastian Wiemann, Daniel Fuhrmann, Patrick Kranz, Erdal Akyildiz, Jan

Menser und Thorsten Benzler. Für die kompetente Unterstützung bei vielen technischen

Fragestellungen bedanke ich mich bei Natascha Schlösser, Beate Endres, Birgit Nelius, Jörg

Albrecht, Ludger Jerig und Dieter Hermanns. Darüber hinaus haben die Studenten Tobias

Guth, Christian Muders, Simon Hähnsen, Sameera Fernando, Hassan Said und Muhammad

Ali Shahbaz mit der Anfertigung ihrer Abschlussarbeiten einen wertvollen Beitrag zum

Gelingen meiner Arbeit beigetragen, wofür ich auch ihnen danken möchte.

Mein ganz herzlicher Dank ist an meine Familie gerichtet, an meine Eltern und Stiefeltern, die

mich während meiner Studium- und Promotionszeit fortwährend unterstützt und stets

motiviert haben. Ganz besonders danke ich vor allem meiner Frau Britta und meinen Kindern

Hanna und Jonas für den Rückhalt, das Verständnis und die starke Motivation.

Essen, im April 2018

Vorwort

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Kurzfassung

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Kurzfassung

In Rahmen dieser Arbeit wird ein UV-Endoskopsystem zur minimalinvasiven optischen

Brennraumdiagnostik durch Chemilumineszenz und laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) in

einem seriennahen Fahrzeug-Ottomotor eingesetzt.

Der erste Teil der Abhandlung beschreibt die Detektion der Entflammung und der frühen

Flammenausbreitung über die Chemilumineszenz in der Reaktionszone mit verschiedenen

Kamera- und Abbildungssystemen. Durch das morphologische Bildverarbeitungsverfahren

der Segmentierung wird die projizierte Flammenfläche in jedem Bild ermittelt. Diese

Messgröße korreliert ab 10°KW nach Zündung sehr gut mit dem Zylinderinnendruck und

liefert bereits Informationen über den Brennverlauf bevor die Druckindizierung es kann. Die

Qualität der Korrelation zwischen druckbasierten und optischen Daten ist vergleichbar mit

Literaturdaten aus einem optisch großflächig zugänglichen Motor.

Im zweiten Teil liegt der Fokus auf endoskopischen LIF-Messungen. Dazu wird dem nicht-

fluoreszierenden Modellkraftstoff ein „Tracer“ zugefügt, der bei Laseranregung Fluoreszenz

emittiert, die mit dem UV-sensitiven Endoskopsystem erfasst wird. Der unter motorischen

Bedingungen signalstärkste Tracer für bildgebende LIF-Messungen in der Gasphase wird im

Vorfeld durch Versuche und photometrische Modellierung der Signalkette ermittelt. Dabei

zeigt Anisol (Methoxybenzol) die höchste Signalintensität und wird aufgrund dessen für die

endoskopischen LIF-Messungen verwendet.

Die Visualisierung der Flammenausbreitung erfolgt simultan mit zwei Kameras, einerseits

durch Detektion der OH*-Chemilumineszenz und andererseits durch Anisol-LIF anhand des

Abbrands der signalerzeugenden Tracer-Moleküle. Hierbei ist die mittels Chemilumineszenz-

Messung bestimmte projizierte Flammenfläche stets größer als die LIF-Flammenfläche. Das

Verhältnis der Flächen aus den beiden Methoden gibt Aufschluss, ob sich die Flamme auf das

Detektionsendoskop zu oder von diesem weg ausbreitet.

Durch zwei-Farben-LIF-Thermometrie wird das Temperaturfeld in der zentralen

Brennraumebene untersucht. Das Messverfahren nutzt die temperaturabhängige

Rotverschiebung der Anisol-Fluoreszenz über Detektion in zwei verschiedenen spektralen

Banden. Die Temperaturbestimmung erfolgt anhand einer Modellierung des pixelweise

bestimmten Signalverhältnisses auf Grundlage der photophysikalischen Daten von Anisol und

der o.g. photometrischen Modellierung der Signalkette. Damit werden der räumlich gemittelte

Temperaturverlauf über den Kompressionstakt sowie Temperaturfelder im Einzelschuss

ermittelt. Während die Absoluttemperatur unterschätzt erscheint, sind die endoskopischen

Einzelschuss-Temperaturmessungen ein Novum, das mit dem bislang verwendeten Tracer

Toluol nicht möglich war.

Kurzfassung

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Abstract

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Abstract

In this work, a large-aperture UV endoscope is used for minimally-intrusive optical

diagnostics via chemiluminescence and laser-induced fluorescence (LIF) in the combustion

chamber of a nearly unmodified production SI-engine.

The first part of the thesis describes the detection of ignition and early flame propagation via

chemiluminescence from the reaction zone with various camera and imaging systems. In

morphological image processing, the projected flame area is determined by segmentation.

After 10° CA after ignition, the flame area correlates well with the cylinder pressure, but it

also provides information about the combustion process at earlier crank angles, when

pressure-trace analysis cannot be used yet. Optical and pressure-derived data correlate about

as well as they do in studies in the literature that were performed in a fully optically accessible

engine.

The second part focuses on endoscopic LIF measurements. For this purpose, a “tracer” is

added to a non-fluorescing surrogate fuel. The tracer’s fluorescence upon laser excitation is

detected by the UV endoscope system. From experiments and photometric modelling of the

signal detection train, the tracer is determined that fluoresces brightest in scalar imaging in the

gas phase under engine-relevant conditions. Anisole (methoxybenzene) provides the highest

signal and is therefore used for the endoscopic LIF measurements.

Visualization of flame propagation is performed simultaneously with two cameras, one

detecting OH* chemiluminescence and the other anisole LIF. With anisole LIF, the lack of

signal from the tracer indicates the burnt area. The projected flame area determined from

chemiluminescence is found to be always larger than the LIF-based flame area, while the ratio

of the areas from the two methods indicates if the flame is burning towards or away from the

detection endoscope.

Two-color LIF thermometry is used to determine the temperature field in the center plane of

the combustion chamber. This diagnostic exploits the temperature-dependent red-shift of

anisole’s fluorescence spectrum by simultaneous LIF imaging in two different spectral bands.

The local temperature is then determined from the pixel-wise signal ratio based on the known

photophysical data of anisole and the aforementioned photometric model of the detection

train. The spatially averaged temperature evolution over the compression stroke and single-

shot temperature fields are determined. While the absolute temperature appears

underestimated, single-shot endoscopic temperature imaging is a novelty that had not been

possible with the tracer toluene, used previously in the literature.

Abstract

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Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort ...................................................................................................................................... I

Kurzfassung ........................................................................................................................... III

Abstract .................................................................................................................................... V

Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................. VII

Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................................... XI

1 Einleitung ..................................................................................................................... - 1 -

2 Grundlagen .................................................................................................................. - 5 -

2.1 Optische Zugänge zum Brennraum ........................................................................ - 5 -

2.1.1 Optische Motoren ............................................................................................ - 6 -

2.1.2 Lichtleiterbasierte Messsonden ....................................................................... - 7 -

2.1.3 Endoskope ....................................................................................................... - 9 -

2.2 Lichtquellen und Detektoren ................................................................................ - 12 -

2.2.1 Kamera .......................................................................................................... - 12 -

2.2.2 Bildverstärker ................................................................................................ - 13 -

2.3 Nd:YAG-Laser ..................................................................................................... - 14 -

2.4 Optische Messverfahren ....................................................................................... - 15 -

2.5 Flammendiagnostik .............................................................................................. - 17 -

2.5.1 Verbrennung im Ottomotor ........................................................................... - 17 -

2.5.2 Chemilumineszenz ........................................................................................ - 20 -

2.5.3 Flammenvisualisierung ................................................................................. - 22 -

2.6 Temperaturmessung .............................................................................................. - 28 -

2.6.1 Laserinduzierte Fluoreszenz .......................................................................... - 28 -

2.6.2 Anisol-Fluoreszenz ........................................................................................ - 31 -

2.6.3 Zwei-Farben-LIF-Thermometrie ................................................................... - 35 -

2.7 Druckbasierte Verbrennungsdiagnostik ............................................................... - 37 -

2.7.1 Druckindizierung ........................................................................................... - 38 -

2.7.2 Druckverlaufsanalyse .................................................................................... - 41 -

Inhaltsverzeichnis

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3 Endoskopisch zugänglicher Motor und Prüfstandsperipherie ............................. - 44 -

3.1 Grundmotor .......................................................................................................... - 44 -

3.2 Endoskopische Zugänge ....................................................................................... - 48 -

3.3 Druckindizierung und Temperaturerfassung ........................................................ - 49 -

3.4 Kraftstoffversorgung ............................................................................................ - 51 -

4 Endoskopsysteme ...................................................................................................... - 52 -

4.1 UV-Endoskop ....................................................................................................... - 52 -

4.2 Laser-Beleuchtungsendoskop ............................................................................... - 56 -

5 Endoskopische Flammenvisualisierung mittels Chemilumineszenz ..................... - 57 -

5.1 „1-Kamera“-Messung ........................................................................................... - 61 -

5.1.1 Messung ........................................................................................................ - 61 -

5.1.2 Auswertung und Ergebnisse .......................................................................... - 64 -

5.2 „2-Kamera“-Messung ........................................................................................... - 68 -

5.2.1 Messung ........................................................................................................ - 68 -

5.2.2 Auswertung und Ergebnisse .......................................................................... - 69 -

5.3 „Bildverstärkte und nicht-bildverstärkte Hochgeschwindigkeits“-Messung ....... - 79 -

5.3.1 Messung ........................................................................................................ - 79 -

5.3.2 Auswertung und Ergebnisse .......................................................................... - 82 -

6 Vergleich ausgewählter Tracer für Gasphasen-LIF .............................................. - 86 -

6.1 Experimentelle LIF-Signalintensität ..................................................................... - 86 -

6.2 Theoretische LIF-Signalintensität ........................................................................ - 91 -

6.3 Extrapolation für motorische Bedingungen .......................................................... - 94 -

7 Simultane endoskopische Messung von Anisol-LIF und UV-Chemilumineszenz - 96 -

7.1 Einfluss der Detektionsgeometrie ......................................................................... - 96 -

7.2 Experimenteller Aufbau ....................................................................................... - 99 -

7.3 Morphologische Bildbearbeitung ....................................................................... - 102 -

7.4 Ergebnisse ........................................................................................................... - 106 -

8 Endoskopische Zwei-Farben Anisol-LIF .............................................................. - 112 -

8.1 Experiment .......................................................................................................... - 112 -

Inhaltsverzeichnis

Seite IX von XIV

8.2 Vergleich von Toluol und Anisol ....................................................................... - 114 -

8.3 Signalmodell und Kalibrierung .......................................................................... - 117 -

8.4 Temperaturmessung ............................................................................................ - 122 -

9 Zusammenfassung und Ausblick ........................................................................... - 131 -

Literaturverzeichnis ........................................................................................................ - 138 -

Publikationen ................................................................................................................... - 149 -

Betreute Abschlussarbeiten ............................................................................................ - 151 -

Inhaltsverzeichnis

Seite X von XIV

Abkürzungsverzeichnis

Seite XI von XIV

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung Bedeutung

AGR Abgasrückführung

APS Aktiver Pixelsensor

AV Auslassventil

BP Bandpassfilter

C2* C2 im angeregten Zustand

CCD Charge-coupled device

CH* CH im angeregten Zustand

CH2O* CH2O im angeregten Zustand

CO2* CO2 im angeregten Zustand

DME Digitale Motor Elektronik

DOE Diffraktives optisches Element

EPA Environmental Protection Agency

EV Einlassventil

HCCI Homogeneous charge compression ignition

HCO Formyl-Radikal

HS-IRO Hochgeschwindigkeitsbildverstärker (engl.: highspeed intensifier relais optic)

IC Innere Energieumwandlung (engl.: internal conversion)

ICCD Intensified charge-coupled device

IR Infrarot

IRO Intensifier relais optic

ISC Intersystem crossing (engl.: intersystem crossing)

KW Kurbelwinkel

LIF Laserinduzierte Fluoreszenz

LP Langpassfilter

LTC Low temperature combustion

M Stoßpartner

MPFI Multi-Point-Fuel-Injection

Nldif Nichtlinearer Diffusionsfilter

OH* OH im angeregten Zustand

OT Oberer Totpunkt

Abkürzungsverzeichnis

Seite XII von XIV

PCCI Premixed charge compression ignition

PF Projizierte Flamme

PFF Projizierte Flammenfläche

PFFSP Projizierter Flammenflächenschwerpunkt

PFG Projizierte Flammengeschwindigkeit

PIV Particle image velocimetry

PLIF Planar laserinduzierte Fluoreszenz

S Singulett

ST Strahlteiler

T Triplett

UV Ultraviolettstrahlung

VR Vibronische Relaxation (engl.: vibrational relaxation)

ZZP Zündzeitpunkt

Symbole Einheit Bedeutung

°KW Kurbelwinkel

- Brennstoffverhältnis

A m2 Wärmeübertragende Brennraumfläche

cm m/s Mittlere Kolbengeschwindigkeit

cu m/s Drallgeschwindigkeit

cv J/kg K Spez. isochore Wärmkapazität

d m Durchmesser

EPhoton J Energie eines Photons

f Hz Frequenz

h J s Plancksches Wirkungsquantum

hg J/kg Enthalpiestrom

ILaser W Laserintensität

ILIF W Intensität der laserinduzierten Fluoreszenz

IOH* W OH*-Emissionsintensität

k - Isentropenexponent

kfl 1/s Spontane Emission

kq˜ m3/s Stoßratenkoeffizient

kSV m3 Stern-Volmer-Koeffizient

Abkürzungsverzeichnis

Seite XIII von XIV

ktot 1/s Intramolekularer Deaktivierungsprozess

lF m Laminare Flammendicke

n - Polytropenexponent

n 1/m3 Teilchenanzahldichte

n 1/min Drehzahl

nO2 1/m3 Sauerstoffanzahldichte

p bar Druck

pmi bar Indizierter Mitteldruck

pO2 mbar Sauerstoffpartialdruck

q W/cm² Wärmefreisetzungsrate pro Flammenflächen

R J/mol K Gaskonstante

T K Temperatur

sL m/s Laminare Brenngeschwindigkeit

Ti - Schwellwert

TW K Mittlere Brennraumwandtemperatur

Uc J Chemisch gebundene Energie

Ug J Gesamte innere Energie

Ut J Thermische Energie

v Hz Lichtfrequenz

V m3 Volumen

VH m3 Hubvolumen

W J Arbeit

xB °KW Brennstoffumsatzpunkt

v´ m/s Geschwindigkeitsvarianz

α W/m2 k Wärmeübergangskoeffizient

α pmax °KW Lage des Spitzendrucks

η - Quanteneffizienz (Detektion)

η m Kolmogorov-Länge

λ - Verbrennungsluftverhältnis

λ nm Wellenlänge

σabs m2 Absorptionsquerschnitt

σpmi bar Streubreite des indizierten Mitteldrucks

τfl s Fluoreszenzslebensdauer

ϕ - Fluoreszenzquanteneffizienz

Abkürzungsverzeichnis

Seite XIV von XIV

ω rad/s Winkelgeschwindigkeit

Ω sr

Sammelwinkel

[m²/s] Kinematische Viskosität

k [s] Kleinste turbulente Zeitskala (Kolmogorov-Zeit)

l [s] Zeitskala für Ausbreitung der laminaren Flamme

R [s] Zeitskala einer chemischen Reaktion

𝜅 - Isentropenexponent

𝜉 - Mischungsbruch

Einleitung

- 1 -

1 Einleitung

Moderne Verbrennungsmotoren sind im Laufe der über 100-jährigen Geschichte zu

komplexen Aggregaten entwickelt worden, die mit hoher Leistungsdichte und großer

Zuverlässigkeit das Fundament unserer Mobilität bilden. Jedoch wird die Freiheit des

Individualverkehrs sowie die Möglichkeit des kostengünstigen globalen Gütertransports mit

einer erheblichen Belastung der Umwelt durch Schadstoffemissionen erkauft. Im Jahr 2014

betrug der Anteil des Verkehrssektors am weltweiten Ausstoßes von Treibhausgasen nach

Angaben der Environmental Protection Agency (EPA) 18 Prozent. Aufgrund der

zunehmenden Motorisierung in Schwellenländern und dem anhaltenden Wachstum des

globalen Handels ist, einhergehend mit der Erhöhung der Verkehrsleistung, mit einem

weiteren Anstieg des Emissionsausstoßes zu rechnen. Um dieser Entwicklung entgegen zu

wirken, wird politisch die Elektrifizierung des Individualverkehrs, insbesondere im urbanen

Bereich, forciert. Nichtsdestotrotz stellt der Verbrennungsmotor den dominierenden Anteil

gegenwärtiger Antriebe und wird im Personenkraftfahrzeug und speziell im Nutzfahrzeug

noch lange substanziell vertreten sein. Aus diesem Grund ist die kontinuierliche Reduktion

umweltbelastender Emissionen durch die Entwicklung neuer Brennverfahren und

Technologien zur Abgasnachbehandlung notwendig. Maßgeblichen Impuls für die

Forschungs- und Entwicklungsarbeit in der Automobilindustrie stellt die sukzessive

Verschärfung der Emissionsgrenzwerte, derzeit Euro 6 für Personenkraftwagen und EURO VI

für schwere Nutzfahrzeuge, und die Reglementierung der CO2-Emissionen und des

Kraftstoffverbrauchs von schweren Nutzfahrzeuge gemäß (EU) 2017/2400 dar.

In der Entwicklung von Brennverfahren für Verbrennungsmotoren oder für die

Weiterentwicklung bestehender Konzepte sind detaillierte Kenntnisse innermotorischer

Vorgänge unerlässlich [1-3]. Gegenwärtig ist die Druckindizierung, eine

kurbelwinkelaufgelöste Messung des Zylinderinnendrucks, wichtigstes Hilfsmittel zur

Bewertung des thermodynamischen Prozesses. Indizierte Druckverläufe stellen wesentliche

Eingangsparameter von Motorsimulationen und dienen als Zielgröße bei der Motor-

applikation. Bedingt durch die inhärente Eigenschaft der Sensorik werden jedoch keine

räumlich aufgelösten Informationen gewonnen. Dementgegen bieten optische Verfahren die

Möglichkeit der zwei- oder dreidimensionalen, quantitativen Messung einzelner

physikalischer oder chemischer Größen. Durch die detaillierte Untersuchung verschiedener

innermotorischer Prozesse, wie beispielsweise dem Ladungswechsel, der Gemischbildung

oder der Flammenausbreitung, können optische Messverfahren zum besseren Verständnis der

motorischen Verbrennung beitragen. Zur bildgebenden Brennraumdiagnostik werden in

Forschungseinrichtungen und Entwicklungsabteilungen sogenannte optische Motoren,

Messsonden oder Endoskope verwendet. Die unterschiedlichen Möglichkeiten des optischen

Zugangs zum Brennraum stehen dabei im Zielkonflikt zwischen der Größe des Zugangs und

der erforderlichen Modifikation des Basisaggregates. Hierbei weisen optische Motoren den

bestmöglichen optischen Zugang zum Brennraum auf, erfordern jedoch zeitgleich die größte

Einleitung

- 2 -

konstruktive Anpassung des Basismotors, die zu einer Veränderung der thermodynamischen

Eigenschaften und maßgeblichen Limitierung im Betriebskennfeld führt. Dagegen bieten

Endoskope eine Möglichkeit des minimalinvasiven optischen Zugangs zum Brennraum, ohne

die Thermodynamik des Motors signifikant zu beeinflussen. Endoskope können in

seriennahen Motoren appliziert und teils ohne Einschränkung im gesamten Betriebskennfeld

eingesetzt werden.

In der vorliegenden Arbeit wird ein UV-Endoskopsystem eingesetzt, dessen Auslegung am

Institut für Technische Optik (ITO) in Stuttgart [4] und deren motorische Erprobung am

Institut für Verbrennung und Gasdynamik (IVG) [5, 6] erfolgte. Das Endoskopsystem ist als

zweistufiges Abbildungssystem mit einem Zwischenbild konzipiert und besteht aus einem im

Zylinderkopf des Motors montierten Front-Endoskop sowie einer vor der Kamera

positionierten Relay-Optik, die ein diffraktives und ein refraktives Element beinhaltet. Das

robuste Front-Endoskop ist unmittelbar den mechanischen und thermischen Belastungen des

Verbrennungsmotors ausgesetzt und dient zur Projektion der Brennraumebene auf die Relay-

Optik. Die erste Abbildungsstufe mit nur drei sphärischen Linsen ist für eine hohe Lichtstärke

ausgelegt worden und korrigiert nur Aberrationen, die maßgeblich von der Feldposition

abhängig sind. Dementgegen werden Abbildungsfehler, die in erster Linie eine Funktion der

Apertur sind, erst in der zweiten Abbildungsstufe innerhalb definierter spektraler Bereiche

korrigiert. Beide Elemente des zweistufigen Abbildungssystems, das Front-Endoskop und das

diffraktive-refraktive Element, bestehen für eine hohe Transmissivität im ultravioletten

Bereich aus Quarzglas.

Im Rahmen der vorliegenden Abhandlung wird das UV-Endoskopsystem zur Visualisierung

einzelner Aspekte des Verbrennungsprozesses sowie zur quantitativen Bestimmung der

Temperaturverteilung in der zentralen Brennraumebene eines Ottomotors eingesetzt. Die

Visualisierung der Flammenkernbildung und frühen Flammenausbreitung über die UV-

Chemilumineszenz in der Reaktionszone wird nachfolgend als passive Messtechnik

bezeichnet, die Visualisierung der Flamme durch laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) anhand

des Abbrands signalerzeugender Tracer-Moleküle und die Temperaturbestimmung mittels

Zwei-Farben-LIF-Thermometrie als aktive Messtechnik. Zielsetzung bei der Durchführung

der Messungen ist der Übertrag messtechnischer Möglichkeiten aus optischen Motoren auf

die minimalinvasive Endoskopie im Vollmotor und die Weiterentwicklung bestehender

endoskopischer Messmethodik.

Im ersten Teil der Arbeit liegt der Fokus mit der Visualisierung einzelner Teilbereiche des

Verbrennungsprozesses durch die Chemilumineszenz in der Reaktionszone auf der passiven

Brennraumdiagnostik. Dabei kann der Verbrennungsprozess in Ottomotoren im Wesentlichen

in folgende vier Abschnitte unterteilt werden [7]: Zündfunke (und Flammeninitiierung),

initiale Flammenkernentwicklung, turbulente Flammenausbreitung und Flammenlöschung. In

Kapitel 5 wird die bildgebenden Detektion der initialen Flammenkernentwicklung und

turbulenten Flammenausbreitung mit verschiedenen Kamerasystemen und Konfigurationen

Einleitung

- 3 -

der Messtechnik beschrieben. Zur quantitativen Auswertung finden unterschiedliche

morphologische Verfahren der Segmentierung Anwendung, um die projizierte Flammenfläche

in jeder Aufnahme zu ermitteln. Die Korrelation dieser optischen Messgröße mit dem

Zylinderinnendruck und weitere Informationen über den Brennverlauf, welche die Detektion

der projizierten Flammenfläche bietet, werden ausführlich beschrieben. Als Referenz für die

endoskopischen Messungen dienen Arbeiten von Aleiferis et al. in einem optisch großflächig

zugänglichen Motor [7-11].

Im Vorfeld der Anwendung laserbasierter Messverfahren wird ein systematischer Vergleich

ausgewählter Tracer für bildgebende LIF-Messungen in der Gasphase durchgeführt, um den

signalstärksten Tracer unter motorrelevanten Drücken und Temperaturen zu bestimmen. Der

Vergleich erfolgt sowohl theoretisch anhand der photometrischen Modellierung der

Signalkette sowie durch Versuche in einer atmosphärischen Messzelle und wird in Kapitel 6

vorgestellt. Der aus diesem Quervergleich resultierende signalstärkste Tracer ist Anisol

(Methoxybenzol), das im Anschluss für endoskopische LIF-Messungen eingesetzt wird.

Im zweiten Teil der Arbeit, mit Fokus auf der aktiven Brennraumdiagnostik, werden die

Visualisierung der Flamme anhand des Abbrands signalerzeugender Tracer-Moleküle in

Kapitel 7 und die Zwei-Farben-LIF-Thermometrie zur nicht-invasiven Bestimmung der

Temperatur in Kapitel 8 beschrieben. Die laserbasierte Visualisierung der Flamme erfolgt zur

Gegenüberstellung der inhärenten Eigenschaften aktiver und passiver Messtechniken in einem

„2-Kamera“-Messaufbau synchron mit der Detektion der Chemilumineszenz. Das LIF-

Messverfahren bildet eine dreidimensionale Flammenstruktur aufgrund des Lichtschnitts in

einer zweidimensionalen Ebene ab, im Gegensatz zur Detektion der Chemilumineszenz,

welche die dreidimensionale Flammenstruktur auf eine Bildebene projiziert. Diese Projektion

entspricht der Integration des Signals entlang der Sichtlinie, wodurch die maximale

Grenzlinie des entflammten Bereichs abgebildet wird. Die Unterschiede beider

Messtechniken zur Flammenvisualisierungen und die Korrelation der jeweils segmentierten

Flammenflächen mit den zugehörigen Druckverläufen werden in Kapitel 7 detailliert

ausgearbeitet.

Den zweiten Schwerpunkt der aktiven Brennraumdiagnostik bildet die Zwei-Farben-LIF-

Thermometrie zur Untersuchung des Temperaturfeldes in der zentralen Brennraumebene.

Ergänzend werden im gleichen Versuchsaufbau die LIF-Signalintensitäten der Tracer Anisol

und Toluol in aufeinanderfolgenden Messungen unter realen Motorbedingungen verglichen,

um die Ergebnisse des systematischen Quervergleichs aus Kapitel 6 zu validieren.

Das Messverfahren der Zwei-Farben-LIF-Thermometrie basiert auf der

Temperaturabhängigkeit der Anisol-Fluoreszenz, deren Emissionsspektrum sich mit

steigender Temperatur in den langwelligen Bereich verschiebt. Durch eine spektral separierte

Detektion der Fluoreszenz mit zwei synchronen Kameras wird über das Signalverhältnis

beider Detektionskanäle der Grad der Verschiebung auf Pixelbasis ermittelt. Die

Einleitung

- 4 -

Temperaturbestimmung erfolgt anhand einer Modellierung des pixelweise bestimmten

Signalverhältnisses auf Grundlage der photophysikalischen Daten des Tracers Anisol und der

Quanteneffizienz der Detektion. Dabei berücksichtigt das theoretische Signalmodell den

Einfluss des Sauerstoffpartialdrucks, da die Anisol-Fluoreszenz in Gegenwart von Sauerstoff

rotverschoben wird. Der Abgleich des Signalmodells erfolgt durch Kalibrationsmessungen im

stehenden Motor. Als Ergebnis werden der räumlich gemittelte Temperaturverlauf über den

Kompressionstakt und verschiedene Temperaturfelder im Einzelschuss für ausgewählte

Kurbelwinkel vorgestellt.

Abschließend wird der Inhalt der Arbeit zusammengefasst, die wesentlichen Erkenntnisse

herausgestellt und ein Ausblick für weiterführende Arbeiten gegeben.

Grundlagen

- 5 -

2 Grundlagen

Für die Weiterentwicklung von Brennverfahren in Verbrennungskraftmaschinen oder die

Entwicklung neuer Konzepte, wie HCCI (Homogeneous charge compression ignition), PCCI

(Premixed charge compression ignition) oder LTC (Low temperature combustion), sind

detaillierte Kenntnisse der innermotorischen Vorgänge notwendig. Ein in der

Motorenforschung etabliertes Werkzeug ist die Druckindizierung, eine

kurbelwinkelaufgelöste Messung der Ein- und Auslassdrücke sowie des Zylinderinnendrucks.

Der Verlauf der Drucksignale gibt wesentliche Rückschlüsse über den Verbrennungsprozess

und kann als Eingangsparameter für die Berechnung des Brennverlaufs und der Indizier-

Kennwerte dienen.

Für ein grundlegendes Verständnis vieler physikalischer und chemischer Teilaspekte des

Verbrennungsablaufes werden in der Forschung und Entwicklung bildgebende Messverfahren

eingesetzt, die zwei- oder dreidimensionale Informationen über innermotorische Prozesse

liefern. Diese Messverfahren benötigen einen optischen Zugang zum Brennraum.

2.1 Optische Zugänge zum Brennraum

Die Ausführung optischer Zugänge zum Brennraum steht im Zielkonflikt zwischen der Größe

des optischen Zugangs und der notwendigen Modifikation eines Versuchsaggregates,

einhergehend mit der Beeinflussung des Betriebsverhaltens [12]. In Abhängigkeit von der

jeweiligen Zielstellung werden deshalb unterschiedliche Konzepte in der Ausführung

optischer Zugänge verfolgt. Zur Untersuchung neuer Brennverfahren in hochaufgeladenen

Motoren bieten Messsonden oder Messzündkerzen einen minimalinvasiven Zugang zum

Brennraum nicht modifizierter Motoren an. Mit einem konstruktiv größeren Aufwand stellen

Endoskope einen weiteren Weg minimalinvasiven Zugangs zum Brennraum bereit. Das

Sichtfeld sowie die Einsatzmöglichkeiten laseroptischer Messverfahren sind für Endoskope

deutlich größer im Vergleich zu Messsonden. Für die Entwicklung und Optimierung neuer

laseroptischer Messverfahren bieten optische Motoren den besten Zugang zum Brennraum

und den detailliertesten Aufschluss über innermotorische Vorgänge, erfordern jedoch den

größten konstruktiven Aufwand und führen in der Regel zu einer Veränderung der

thermodynamischen Eigenschaften des Basismotors. Optische Motoren unterliegen auch der

größten Limitation in Drehzahl und Last. In diesem Zusammenhang steht das Bestreben

minimalinvasive endoskopische Messtechnik in ihrer optischen Güte zu verbessern, um

weitere Messverfahren, die bereits in optischen Motoren zum Stand der Technik zählen, für

den endoskopischen Einsatz zu erschließen.

Grundlagen

- 6 -

2.1.1 Optische Motoren

Die konstruktive Ausführung optischer Motoren kann in vielfältiger Weise erfolgen,

entsprechend der Zielvorgabe motorischer Leistungsparameter und Größe des optischen

Zugangs. Häufige Realisierungsformen sind optische Zugänge durch Fenster im

Abstandshalter zwischen Grundmotor und Zylinderkopf oder durch Glasringe, zusätzlich zum

Sichtzugang durch ein Kolbenglasfenster. Die erste dokumentierte Visualisierung einer

Flamme in einem Motor mit Glasfenster erfolgte 1931 bei General Motors Research

Laboratories in Detroit [13]. Hierfür wurde ein längliches Quarzfenster von 12,7 cm x

0,952 cm in einem Einzylinder-Forschungsmotor eingelassen, das einen Sichtzugang zum

Brennraum und auf das Einlassventil gestattet. Einen detaillierten Überblick realisierter

optischer Motoren bietet die Quelle [14].

Ein Motor mit einen Glasring und ein Kolbenfenster bietet einen sehr guten optischen

Zugang, weist in der Regel aber deutliche Einschränkungen in Drehzahl und Last auf. Des

Weiteren können der Wandwärmeübergang des Brennraums und das Verdichtungsverhältnis

wesentlich vom Vollmetallmotor abweichen. Die etablierte Bauweise optischer Motoren

verwendet eine Kolbenverlängerung mit einer Längsnut, die nach dem Erfinder auch als

Bowditch-Kolben bezeichnet wird [15]. Diese konstruktive Ausführung ermöglicht über einen

45°-Spiegel einen Sichtzugang durch ein Kolbenglas zum Brennraum. Das Fenster kann

wahlweise für höhere Spitzendrücke aus Saphir oder für bessere Transmissivität im UV-

Bereich aus Quarz gefertigt sein. Horizontal erfolgt der optische Zugang zum Brennraum über

einen Zwischenring mit Fenstern oder einen Vollglasring. Das Aufbauprinzip ist schematisch

in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines optischen Motors [16]

Grundlagen

- 7 -

Das optische Sichtfeld, maßgeblich durch Anzahl und Größe der optischen Zugänge

bestimmt, steht im Zielkonflikt mit der Beeinflussung des Betriebsverhaltens des

Verbrennungsmotors. Die Abhängigkeit ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2 Zielkonflikt bei optisch zugänglichen Motoren zwischen der Beeinflussung des

Betriebsverhaltens und der Größe des optischen Sichtfeldes [17]

In Abhängigkeit von der Priorisierung sind optische Motoren auch für große Hubvolumen

realisierbar [18], geeignet für hohen Spitzendruck [19] oder durch den Ausgleich der

Massenkräfte erster und zweiter Ordnung für besonders hohe Drehzahlen ausgelegt [20].

2.1.2 Lichtleiterbasierte Messsonden

Lichtleiterbasierte Messsonden sind für den Einsatz in Serienmotoren konzipiert und können

ohne Modifikation des Versuchsaggregates als integrierte Zündkerzensonde für

Ottoanwendungen oder als Glühkerzenadapter für Dieselanwendungen eingesetzt werden.

Beide Ausführungen ermöglichen eine kurbelwinkel- und zyklusaufgelöste Untersuchung

innermotorischer Prozesse in Echtzeit.

In Abbildung 3 sind verschiedene Ausführungen lichtleiterbasierter Messsonden dargestellt.

a) Absorptionsmesssonde zur Konzentrationsmessung [21]

b) Flächensensor zur Klopfortbestimmung [22]

c) Mehrkanal-Lichtleiter-Zündkerzensensor [6]

Grundlagen

- 8 -

Abbildung 3: Lichtleiterbasierte Zündkerzensensoren [6, 21, 22]

Die optische Brennraumindizierung kann hierbei in aktive und passive Messtechniken

unterteilt werden.

Passive Messsysteme werden bei ottomotorischem Einsatz vorwiegend zur Visualisierung der

Flammenkernbildung und des Flammenfortschrittes über die Chemilumineszenz, einer

Lichtemission der bei der Verbrennung entstehenden Radikale OH*, CH* und C2*, verwendet

[23-25]. Mit Flächensensoren erfolgt die Flammenmusterbestimmung anhand der

Signalintensität und ermöglicht die Lokalisierung von Flammenanomalien sowie

Klopferscheinungen [22, 26, 27]. Eine Erfassung der Signale im Brennraum durch drei

geometrisch angeordnete Messsonden lässt eine tomografische Flammenanalyse zu [28-30].

Eine Sonderform passiver lichtleiterbasierter, optischer Indizierung stellen mikro-optische

Sensoren dar, die in der Zylinderkopfdichtung oder Laufbuchse integriert, zur tomografischen

Detektion der Flammenentwicklung innerhalb einer Ebene dienen [31]. Themenschwerpunkte

bei der Untersuchung dieselmotorischer Verbrennung mit passiven Messsonden ist die

Visualisierung der thermischen Rußstrahlung zur Bestimmung von Rußkonzentration und der

Temperatur [26].

Mit aktiven Messsystemen können weitere Größen, wie die Gemischbildung, der

Restgasgehalt sowie die Gemischtemperatur sowohl lokal an der Zünd- oder Glühkerze oder

räumlich gemittelt über den Zylinderquerschnitt mittels Absorptionsmessungen bestimmt

werden [32]. Anhand der unterschiedlichen Absorptionsverhaltens einzelner Gaskomponenten

werden deren Bestandteile selektiv nachgewiesen. Beispielsweise erfolgt der

Kraftstoffnachweis anhand der IR-Absorption von Kohlenwasserstoffen [33],

Kohlenstoffdioxid wird über eine charakteristische Absorptionsbande detektiert [34-36] und

die Restgaskonzentration anhand des Wasseranteils berechnet [37-39]. Aus diesen Parametern

lassen sich weitere Größen, wie das Verbrennungsluftverhältnis λ oder die zyklusaufgelöste

AGR-Rate, ableiten. Ein weiteres Einsatzfeld lichtleiterbasierter Messsonden sind lokale

laserinduzierte Fluoreszenzmessungen im UV-Bereich, wie die Zwei-Farben-LIF-

Temperaturmessung [6] oder die Kraftstoffkonzentrationsmessung [21, 40].

Grundlagen

- 9 -

2.1.3 Endoskope

Die Applikation von Endoskopen in der Verbrennungsdiagnostik ist der Versuch, die

messtechnischen Möglichkeiten optischer Motoren ohne Beeinflussung der motorischen

Betriebsbedingung und ohne jegliche Limitation im Betriebskennfeld in seriennahen

Verbrennungsaggregaten anzuwenden. Hierbei erfordert die konstruktive Adaption des

Beobachtungsendoskops und gegebenenfalls des Beleuchtungsendoskops eine frühzeitige

Festlegung der geometrischen Anordnung, des Dichtkonzeptes zum Brennraum sowie der

Anbindung zur Kamera. Dies kann zu einer Einschränkung anwendbarer Messtechniken

führen.

Aufgrund der ursprünglichen Auslegung von Endoskopen für die minimalinvasive

Untersuchung im medizinischen Bereich, der zerstörungsfreien Inspektion und

Qualitätssicherung technischer Apparaturen wie Fluggasturbinen oder der Kontrolle von

Anlagenkomponenten sind die meisten Ausführungen für Anwendungen im sichtbaren

Bereich ausgelegt und verfügen über eine verhältnismäßig geringe Lichtstärke. Ein häufiger

Vertreter dieser Bauweise ist das in Abbildung 4 dargestellte Endoskop des Herstellers Karl

Storz, vermarktet von der AVL unter der Bezeichnung „Visiocope“. Bedingt durch die

geringe Lichtstärke, die bei einer Brennweite von 21 mm in Abhängigkeit des verwendeten

Linsendurchmessers unterhalb von f/3,5 oder f/7,0 liegt, wird dieses Endoskop im

Verbrennungsmotor insbesondere bei hellen Ereignissen angewendet, wie dem

Rußeigenleuchten im Dieselmotor [41, 42].

Abbildung 4: VISIOSCOPE des Herstellers Karl Storz [43]

Mittels der endoskopischen Visualisierung der Flamme wird die Rußbildung in [44, 45]

untersucht und mit einer zur Rußkonzentration proportionalen Größe (KL-Faktor)

Grundlagen

- 10 -

quantifiziert. Aus der spektralen Intensitätsverteilung kann durch die spektral geteilte

Detektion mit dem RGB-Detektor einer Hochgeschwindigkeitskamera [46, 47] oder durch die

kurbelwinkelaufgelöste Detektion mit einem Zweifarben-Messsystem [48, 49] die

Rußpartikeltemperatur ermittelt werden. Mit der in Abbildung 4 dargestellten ungekühlten

Endoskop-Ausführung mit integriertem Lichtleiter oder in der Kombination eines

Detektionsendoskops mit einem Beleuchtungsendoskop, das in der Regel über Lichtleiter mit

einer intensiven Leuchtquelle verbunden ist, wird in [50-53] ein Spray mit

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Mie-Streuung charakterisiert. Die endoskopische

Sprayvisualisierung wird mitunter auch als Validierungsgrundlage von Simulationen

verwendet [54].

Starre Beleuchtungsendoskope mit Quarzlinsen ermöglichen das Einkoppeln von Lasern, die,

zu einem Lichtschnitt geformt, ganze Ebenen im Brennraum ausleuchten. Durch die

unmittelbar aufeinander folgende Aufnahme von der Strömung zugesetzter Partikel, die durch

einen Laser-Doppelpuls beleuchtet werden, kann die Geschwindigkeit des Strömungsfeldes

im Brennraum innerhalb einer Ebene bestimmt werden [55]. Das in Abbildung 5 dargestellte

Endoskop wurde für „Particle Image Velocimetry“ (PIV) durch Entnahme der integrierten

Lichtleiter und Vergrößerung der Linsenapertur um den Faktor 1,7 in der Lichtstärke erhöht,

um eine bessere Detektion der Partikel zu ermöglicht [56].

Abbildung 5: Optimiertes Endoskop für PIV-Messungen

Mit der Zielsetzung, laserinduzierte Fluoreszenz-Messsungen minimalinvasiv auszuführen,

werden Endoskope im Bereich der ultravioletten Wellenlängen optimiert. Einen Ansatz bietet

die Arbeit von Kallmeyer, der in Zusammenarbeit mit der Firma LaVision ein Endoskop für

spektroskopische Untersuchungen im UV-Bereich entwickelte [57]. Dieses Endoskop sieht

keine Korrektur der chromatischen Aberration vor. Um den daraus resultierenden

Abbildungsfehler zu limitieren, ist am Endoskop eine Filterhalterung zur Begrenzung des

spektralen Durchsatzes mittels schmalbandiger Filter vorgesehen. Die Lichtstärke des UV-

Endoskops mit einem Außendurchmesser von 8 mm liegt bei f/20 für Wellenlängen bis

370 nm. Das Endoskop wurde zur LIF-Detektion von Realkraftstoff eingesetzt, um die

Gemischbildung zu analysieren.

Grundlagen

- 11 -

Eine weitere Möglichkeit endoskopischer Aufnahmen im UV-Bereich bietet das PMT-UV-

CAM System der Firma SMETEC, entwickelt zur Hochgeschwindigkeitsvisualisierung des

Verbrennungsprozesses mit bis zu 200 kHz. Die auf das Lichtleiterendoskop abgestimmte

Detektion besteht aus einer Vielzahl an Photomultipliern, ausgelegt für den UV-Bereich

sowie für Teile des sichtbaren Spektrums [58]. Das System wurde zur Optimierung des

Verbrennungsprozesses in einem Serienmotor eingesetzt [59]. In Kombination mit einer

lichtleiterbasierten Beleuchtungseinheit bietet sich das System auch zur Visualisierung der

Einspritzung an [60].

Das in dieser Arbeit verwendete UV-Endoskopsystem, dargestellt in Abbildung 6, wurde im

Rahmen einer Kooperation u.a. der Universität Duisburg-Essen, dem Institut für Technische

Optik in Stuttgart und der Firma LaVision entwickelt [4].

Abbildung 6: UV-Endoskopsystem [4]

Das Endoskopsystem ist zweiteilig aufgebaut und besteht aus einem im Zylinderkopf

verbauten Front-Endoskop und einem „hybriden“ diffraktiven-refraktiven Element, der Relay-

Optik, die zur Projektion auf den Kameradetektor dient. Alle Elemente sind aus Quarzglas

gefertigt und UV-transparent. Das Front-Endoskop, das durch ein in einer Titanhülse

eingerolltem Saphirfenster vom Brennraum separiert wird, enthält drei sphärische Linsen, die

chromatische Aberration zulassen. Die Abbildung des Objektes auf den Detektor erfolgt über

ein diffraktives-refraktives Element, das im gleichen Zuge die zuvor akkumulierte

chromatische Aberration in einem definierten spektralen Bereich korrigiert. Im direkten

Vergleich mit dem kommerziellen UV-Endoskop des Herstellers Karl Storz weist das UV-

Endoskopsystem die 7-fache Sammeleffizienz auf und in Gegenüberstellung zu einem Nikon

UV-Objektiv (105 mm, f/4.5) die 1,3-fache Sammeleffizienz [6, 61]. Das UV-

Endoskopsystem wurde bereits zur Hochgeschwindigkeitsvisualisierung einer klopfenden

Verbrennung über Detektion der Chemilumineszenz in einem aufgeladenen VW-

Forschungsmotor [62] und zur Bestimmung des Temperaturfeldes im Brennraum mittel

Toluol-LIF-Thermometrie [5] eingesetzt.

Eine detaillierte Erklärung des UV-Endoskopsystems und des zugehörigen

Beleuchtungsendoskops, deren Einsatzmöglichkeiten und der notwendigen Nachbearbeitung

der Daten erfolgt in den nachfolgenden Kapiteln.

Grundlagen

- 12 -

2.2 Lichtquellen und Detektoren

2.2.1 Kamera

Zur Detektion von Strahlungsemissionen werden im Rahmen dieser Arbeit lichtempfindliche

Kamerasysteme mit CCD-Sensoren (charge-coupled device) [63] oder CMOS-Sensoren

(complementary metal-oxide-semiconductor) [64] verwendet. Beide Sensorausführungen

nutzen den photoelektrischen Effekt, um einfallende Photonen in eine elektrische Ladung zu

wandeln, unterscheiden sich jedoch im Ausleseprinzip der Ladungseinheiten.

CCD-Sensoren

CCD-Bildsensoren bestehen aus einer rechteckigen oder quadratischen Anordnung von

lichtempfindlichen Halbleiterelementen, die einzelnen Pixeln entsprechen. Die Grundlage der

Fotodetektoren bildet eine MIS-Struktur (engl.: metal insulator semiconductor), die sich aus

einem dotierten Halbleiter, einer Isolierschicht und transparenten elektrischen Leitern

(Elektroden) zusammensetzt. Aufgrund der häufigen Verwendung eines Oxids

(Siliciumdioxid) als Isolator wird diese Anordnung auch als MOS-Struktur (engl.: metal-

oxide-semiconductor) genannt. Eine Prinzipskizze eines Interline Transfer CCD-Sensors ist in

Abbildung 7 gegeben.

Abbildung 7: Prinzipskizze eines Interline Transfer CCD-Sensors [65]

Durch einfallende Photonen auf den CCD-Sensor werden Elektronen im Halbleitermaterial

freigesetzt und die Ladung in den MOS-Kondensatoren gespeichert. Die akkumulierte

Ladungsmenge ist dabei proportional zur Intensität des Lichts und zur Belichtungszeit. Der

Auslesevorgang erfolgt zeilenweise durch die Verschiebung der Ladung jedes einzelnen

Pixels in ein vertikales Schieberegister. Im vertikalen Schieberegister werden die Ladungen

durch Taktung der anliegenden Elektrodenspannung einzeln zum horizontalen Schieberegister

(Transferregister) überführt und anschließend in einem zentralen Ausleseregister in eine

elektrische Spannung gewandelt. Durch den Zusammenschluss der Ladung mehrerer Pixel in

einem Auslesevorgang, dem sogenannten Binning, kann das Signal-Rausch-Verhältnis bei

zeitgleicher Reduktion der Auflösung verbessert werden. Der Auslesevorgang des CCD-

Sensors erfolgt seriell, im Gegensatz zur parallelen Beleuchtung aller Pixel.

Grundlagen

- 13 -

CMOS-Sensoren

CMOS-Bildsensoren bestehen aus einer zweidimensionalen Anordnung von

lichtempfindlichen Halbleiterelementen. Im Gegensatz zum CCD-Sensor verfügt jeder Pixel

oder die Pixel einer Zeile über einen eigenen Ausleseverstärker. In Abhängigkeit der

Ansteuermöglichkeit der einzelnen Pixel werden CMOS-Sensoren in Active-Pixel-Sensor

(APS) und Passiv-Pixel-Sensor (PPS) unterschieden. Der APS-Sensor enthält für jeden Pixel

eine Verstärkerschaltung zum Auslesen des Signals und wird zeitgleich über alle

Bildelemente belichtet (Global Shutter). Durch die Ansteuerung nur eines Teilbereichs des

APS-Sensors ist eine Steigerung der Bildwiederholrate möglich. In der PPS-Sensorarchitektur

teilen sich die Pixel einer Zeile den Ausleseverstärker, sodass die Belichtung und der

anschließende Auslesevorgang zeilenweise erfolgen. Bei Aufnahmen bewegter Objekte ruft

das sukzessive Auslesen aufeinander folgender Zeilen den Rolling-Shutter-Effekt hervor,

wodurch einzelne Bildpunkte einen Lagefehler aufweisen.

In Gegenüberstellung beider Bauformen weist die CCD-Sensorarchitektur, aufgrund der

Verwendung eines zentralen Ausleseregisters, ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis auf.

Nachteilig ist das Übersprechverhalten von Pixeln bei maximaler Ladungsaufnahme in

umliegende Bereiche, das sogenannte Blooming. Die CMOS-Sensorarchitektur hat einen

schlechteren Füllfaktor, gleichzusetzen mit einer geringeren Lichtempfindlichkeit, und weist

mehr Bildartefakte durch die limitierte Fertigungsgenauigkeit der Ausleseregister auf (Fixed-

Pattern-Noise). Vorteil des CMOS-Sensors ist eineschnelle Bildwiederholrate in Verbindung

mit hoher Auflösung.

2.2.2 Bildverstärker

Der Bildverstärker dient primär zur analogen Signalverstärkung vor dem Bildsensor und wird

zur Detektion signalschwacher Ereignisse im Abbildungssystem zwischen dem Objekt und

der Kamera eingebracht, dargestellt in Abbildung 8. Das optoelektronische Bauteil besteht aus

einer Photokathode (Kathode), einer Mikrokanalplatte sowie einem Phosphorschirm (Anode).

Das Objekt wird über die Abbildungsoptik, im einfachsten Fall einer Linse, auf eine

Photokathode projiziert, die unter Ausnutzung des äußeren photoelektrischen Effektes

auftreffenden Photonen in freie Elektronen umsetzt. Diese werden durch ein elektrisches Feld

beschleunigt, in einer Mikrokanalplatte (Sekundärelektronenvervielfacher) beim Wandstoß

durch Auslösen von Sekundärelektronen vervielfacht und von einem Phosphorschirm

absorbiert. Eine Abbildungsoptik projiziert die vom Phosphorschirm emittierte Lichtemission

auf den Sensor der Kamera. Typische Abklingzeiten des Phosphorschirms liegen in

Abhängigkeit vom Material im Bereich von wenigen Nano- bis Millisekunden [66, 67]. Durch

die elektronische Regelung des Bildverstärkers sind kürzere Belichtungszeiten im Vergleich

zu mechanischen Verschlüssen realisierbar, jedoch führt die Verwendung eines Bild-

verstärkers meist zu einer Verschlechterung der optischen Auflösung des Detektionssystems.

Grundlagen

- 14 -

Neben der Signalverstärkung kann ein Bildverstärker auch als Bildwandler fungieren,

insofern die spektrale Sensitivität der Photokathode vom Detektionsbereich des

Kamerasensors abweicht, und Aufnahmen im UV-Bereich ermöglichen.

Abbildung 8: Prinzipskizze eines Bildverstärkers [66]

2.3 Nd:YAG-Laser

Der Nd:YAG-Laser ist ein in der Forschung häufig verwendeter Festkörperlaser, der als

aktives Medium einen Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall (Nd:YAG)

verwendet [68]. Im gepulsten Betrieb wird die Anregung der Neodym-Ionen meist bei einer

Wellenlänge von 808 nm und einer Pulsrate von wenigen Hz bis in den kHz-Bereich bei

Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit Xenon-Blitzlampen realisiert. Die stimulierte

Strahlungsemission erfolgt in der fundamentalen Emissionswellenlänge bei λ = 1064 nm.

Kürzere Wellenlängen können durch eine Frequenzverdopplung (λ = 532 nm) oder -

vervierfachung (λ = 266 nm) mittels nichtlinearer optischer Kristalle hinter dem

Laserresonator erzeugt werden. Die mit einem Nd:YAG-Laser erzielbare Pulsenergie hängt

neben der konstruktiven Ausführung von der Repetierrate des Lasers sowie der

Emissionswellenlänge ab.

https://de.wikipedia.org/wiki/Neodymhttps://de.wikipedia.org/wiki/Yttriumhttps://de.wikipedia.org/wiki/Aluminiumhttps://de.wikipedia.org/wiki/Granatgruppe

Grundlagen

- 15 -

2.4 Optische Messverfahren

Optische Messverfahren ermöglichen, anhand der Detektion von Licht, Rückschlüsse auf

physikalische Größen zu ziehen. Die zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie

zugrundeliegende Interaktion kann wie folgt unterteilt werden [69, 70]:

Eigenleuchten (Emission)

Eigenleuchten ist eine Emission elektromagnetischer Strahlung, hervorgerufen durch

chemische Reaktionen (Chemilumineszenz) oder aufgrund des thermischen Energieniveaus

(Schwarzkörperstrahlung).

Chemilumineszenz bezeichnet in der Verbrennungsdiagnostik die Lichtemission die sich

direkt oder indirekt aus Reaktionen in der Verbrennungszone ergibt, z.B. von Radikalen wie

OH*, CH* oder C2* oder manchen Elementarreaktionen zu CO und CO2. Die Emission ist im

ultravioletten und im sichtbaren Spektralbereich.

Schwarzkörperstrahlung ist eine Emission elektromagnetischer Strahlung, deren spektrale

Verteilung sowie Intensität einzig von der Temperatur des Körpers abhängt und mit dem

Strahlungsgesetz von Max Planck beschrieben werden kann. In der Verbrennung kann

insbesondere die Lichtemission von Ruß im gelb-roten bis infraroten Spektralbereich dadurch

gut beschrieben werden.

Abschwächung

Abschwächung bezeichnet die Abnahme der Lichtintensität beim Durchdringen eines

Messraums mit absorbierender Materie. Der Verlauf der Intensitätsabnahme über die

Weglänge steht in Abhängigkeit zur Absorptionseigenschaft des Stoffes sowie dessen

Konzentration und wird über das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben. In der

Absorptionsmesstechnik wird die gesamtspektrale Absorption zur Bestimmung der

Konzentration oder Schichtdicke einzelner Stoffe genutzt. Die Absorptionsspektroskopie ist

eine weiterentwickelte Form der Absorptionsmesstechnik, die eine Konzentrations-

bestimmung verschiedener Stoffe innerhalb eines Messvolumens und Informationen zur

Temperatur sowie Dichte liefern. Zur spektral selektiven Absorption werden entweder

durchstimmbare Lichtquellen mit breitbandiger Detektion oder breitbandige Lichtquellen in

Kombination mit einer spektral aufgelösten Detektion verwendet [39].

Elastische Streuung

Ein elastischer Streuprozess liegt an einem Objekt vor, wenn die einfallende

elektromagnetische Strahlung die gleiche Frequenz f wie die emittierte Strahlung aufweist und

dabei die aufgenommene Energie gänzlich abgestrahlt wird. Die elastische Streuung wird als

Grundlagen

- 16 -

Mie-Streuprozess bezeichnet, wenn die Wellenlänge λ der einfallenden Strahlung dem

Durchmesser d des Objektes entspricht. Mittels der Mie-Theorie ist eine Berechnung des

gestreuten elektromagnetischen Feldes möglich. Dies wird in der Partikelmesstechnik unter

Annahme einer kugelförmigen Objektgeometrie zur Bestimmung der

Partikelgrößenverteilung genutzt. Bei deutlich kleinerem Durchmesser d im Vergleich zur

Wellenlänge λ wird der Streuprozess als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Die Intensität der

gestreuten Strahlung ist proportional zur vierten Potenz der Frequenz f.

Inelastische Streuung

Eine inelastische Streuung an Materie liegt vor, wenn die einfallende elektromagnetische

Strahlung nicht die gleiche Frequenz f wie die emittierte Strahlung aufweist und der

Streuprozess für Photonenenergien außerhalb atomarer Resonanz erfolgt. Eine Form der

inelastischen Energieübertragung ist die Raman-Streuung, bei der durch Änderung der

Rotations- und Schwingungszustände der streuenden Moleküle eine charakteristische

Verschiebung der Anregungswellenlänge zu Emissionen höherer oder niedrigerer Frequenz

führt. Emissionen mit geringerer Energie als die einfallende elektromagnetische Strahlung

(rot-verschoben) werden als Stokes-Raman-Streuung und höherenergetischen Emissionen

(blau-verschoben) als Anti-Stokes-Raman-Streuung bezeichnet. Der Anteil des inelastisch

gestreuten Lichtes ist um eine Größenordnung von 103 bis 104 geringer, als der Anteil

elastischer Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.

Lumineszenz

Lumineszenz bezeichnet eine Leuchterscheinung, die von Molekülen oder Atomen bei der

Relaxation aus einem energetisch angeregten Zustand ausgestrahlt wird. Diese Form der

Leuchterscheinung tritt auf, wenn die Anregung durch elektromagnetische Strahlung resonant

zum atomaren Übergang ist. Der Ausgleich des Energieeintrags einfallender Photonen erfolgt

dabei durch eine in Bezug auf die Anregungswellenlänge hauptsächlich rot-verschobene

Emission. Die spektrale Verteilung und Intensität der Emission ist abhängig vom angeregten

Molekül beziehungsweise Atom, der Anregungswellenlänge, dem thermodynamischen

Zustand sowie den Umgebungsbedingungen. Bei der Lumineszenz wird zwischen der

Fluoreszenz und Phosphoreszenz unterschieden, abhängig ob es sich um eine kurzzeitige

Emission handelt, die direkt in den Grundzustand führt, oder um eine in der Regel länger

anhaltende Emission, die aus dem metastabilen Zustand erfolgt.

Für die vorliegende Arbeit sind ausschließlich die Detektion der Chemilumineszenz und die

laserinduzierte Fluoreszenz von Relevanz und werden nachfolgend detailliert beschrieben.

Grundlagen

- 17 -

2.5 Flammendiagnostik

2.5.1 Verbrennung im Ottomotor

Verbrennungsmotoren wandeln die im Kraftstoff chemisch gebundene Energie über die

innere Verbrennung in mechanische Arbeit um. Eine Einteilung des motorischen Prozesses

kann über unterschiedliche Kategorien vorgenommen werden, beispielsweise anhand des

Kraftstoffs, der Art der Gemischbildung sowie der Zündung (Selbstzündung, Fremdzündung).

Der Prozess ist ausschlaggebend für den Flammentyp der motorischen Verbrennung. Eine

Unterteilung des Flammentyps erfolgt in vorgemischte und nicht-vorgemischte Flammen,

entsprechend der Vermischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft. Bei homogen

durchmischtem Kraftstoff-Luft-Gemisch liegt eine vorgemischte Flamme und bei zeitgleich

ablaufender Mischung und Verbrennung eine nicht-vorgemischte Flamme vor. Weiteres

Differenzierungsmerkmal des Flammentyps stellte die Art der Strömung, die zwischen

laminar oder turbulent unterschieden wird. Der Zusammenhang zwischen dem motorischen

Prozess und dem der Verbrennung zugrundeliegenden Flammentyps ist in Abbildung 9

aufgeführt [2].

Abbildung 9: Flammentypen eingeteilt nach motorischem Prozess [2]

In einen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung erfolgt die Verbrennung in Form einer

turbulenten Vormischflamme. Im Borghi-Peters-Diagramm sind für die vorgemischte

turbulente Verbrennung in Abhängigkeit der Interaktion zwischen Turbulenz und Flamme

einzelne Gebiete anhand dimensionsloser Kennzahlen identifiziert, in denen die Bildung

unterschiedlicher Flammentypen erfolgt (Abbildung 10). Die Flammentypen für den

motorisch relevanten Bereich sind schematisch neben den im Borghi-Peters-Diagramm

klassifizierten Verbrennungsbereichen aufgeführt.

Grundlagen

- 18 -

Abbildung 10: Borghi-Peters-Diagramm [71, 72]

Unterschiedliche Bereiche werden im Borghi-Peters-Diagramm mittels der dimensionslosen

Reynolds-, Karlovitz- und Damköhler-Kennzahlen beschrieben [72].

Die Reynolds-Zahl Re ist zur Beurteilung einer turbulenten Strömung als Verhältnis der

Geschwindigkeitsvarianz v´ und dem integralen Längenmaß l zur laminaren

Brenngeschwindigkeit sL und der laminaren Flammendicke lF definiert (Formel 1).

𝑅𝑒 = 𝑣´ ∙ 𝑙

𝑠𝐿 ∙ 𝑙𝐹 (1)

v´ [m/s] Varianz der Geschwindigkeit

l [m] Charakteristische Länge

sL [m/s] Laminare Brenngeschwindigkeit

lF [m] Laminare Flammendicke

Die Karlovitz-Kennzahl Ka ist als das Verhältnis der laminaren Flammen-Zeitskala l zur

kleinsten turbulenten Zeitskala k (Kolmogorov-Zeit) definiert. Als Zeitskala für die

Ausbreitung der laminaren Flamme l ist die Dauer festgelegt, die eine Flammenausbreitung

mit laminarer Flammengeschwindigkeit sL benötigt, um eine Strecke zurückzulegen, die der

laminaren Flammenfrontdicke lL entspricht. Sie lässt sich auch über die Flammendicke lF und

die Kolmogorov-Länge η ausdrücken (Formel 2).

𝐾𝑎 = 𝜏𝑙𝜏𝑘

= 𝑙𝐹

2

𝜂2 (2)

l [s] laminaren Flammen-Zeitskala

k [s] Kleinste turbulente Zeitskala

(Kolmogorov-Zeit)

lF [m] Laminare Flammendicke

η [m] Kolmogorov-Länge

Grundlagen

- 19 -

Neben der Karlovitz-Kennzahl Ka auf der Grundlage der laminaren Flammendicke lF wird

eine Karlovitz-Kennzahl Kaδ über das Verhältnis der Dicke der inneren Schicht zur

Kolmogorov-Länge η eingeführt (Formel 3).

𝐾𝑎𝛿 = 𝑙𝛿

2

𝜂2 (3)

δ [m] Dicke der inneren Schicht

η [m] Kolmogorov-Länge

Als turbulente Damköhler-Kennzahlen Da ist das Verhältnis der makroskopischen Zeitskala

einer turbulenten Strömung 0 und der laminaren Flammen-Zeitskala l definiert (Formel 4).

𝐷𝑎 = 𝜏0𝜏𝑅

(4)

0 [s] Makroskopische Zeitskala einer

turbulenten Strömung

l [s] laminaren Flammen-Zeitskala

Im Borghi-Peters-Diagramm identifizierten Gebiete, die für die motorische Verbrennung von

Bedeutung sind, werden nachfolgend für eine feste Turbulenz-Makrolänge lt/lF von 100

beschrieben. Innerhalb des Bereichs mit niedriger Turbulenzintensität v´/sl von 0,1 bis 1,0 ist

die Brenngeschwindigkeit größer als die Turbulenzintensität und die Flammenausbreitung

wird nur unwesentlich durch die turbulente Schwankung beeinflusst wird, sodass sich eine

gewellte Flamme ausbildet. Mit Erhöhung der Turbulenzintensität schieben große turbulente

Wirbel die Flammenfront vor- und zurück und die Flammenfront breitet sich mit turbulenter

Brenngeschwindigkeit aus. In diesem Gebiet bildet die Flamme eine gefaltete Struktur aus.

Bei einer weiteren Erhöhung der Turbulenzintensität, oberhalb der durch Ka = 1 gegebenen

Linie, ist die Flammendicke größer als die Kolmogorov-Länge, sodass die kleinsten

turbulenten Wirbel von der Größe η in die Flammenstruktur eindringen können. Dieses Gebiet

wird als dünne Reaktionszone bezeichnet.

In der Literatur sind Werte für die laminare Flammengeschwindigkeit von Iso-Oktan von 0,3

bis 1,0 m/s und für die turbulente Flammengeschwindigkeit bei ausgeprägter Tumble-

Ladungsbewegung von bis zu 30 m/s angegeben [3].

Neben der räumlichen Ausprägung der Flammenstruktur kann der zeitliche Ablauf des

Verbrennungsprozesses einer turbulenter Vormischflammen nach [2, 7, 73, 74] beschrieben

werden. Die zeitliche Entwicklung der Verbrennung lässt sich in vier Abschnitte unterteilen:

1. Zündfunke (Flammeninitiierung)

2. Initiale Flammenkernentwicklung

3. Turbulente Flammenausbreitung

4. Flammenverlöschung

Grundlagen

- 20 -

Insbesondere die ersten drei Abschnitte beeinflussen die zyklischen Schwankungen im

Ottomotor.

Die Flammeninitiierung durch den Zündfunken lässt sich in drei Phasen, den

Funkendurchbruch, die Bogenentladung und die Glimmentladung, unterteilen. Beeinflusst

wird die Zündphase maßgeblich durch die Spannungs- und Stromprofile, der

Zündkerzengeometrie und Orientierung, dem Strömungsfeld in unmittelbarer

Zündkerzennähe sowie die Beschaffenheit des Ladungsgemisches. Eine detaillierte

Untersuchung der Einflussfaktoren erfolgte in [7, 73, 75, 76].

Als initiale Flammenkernentwicklung wird der Verzug zwischen Funkendurchbruch und

selbständiger Ausbreitung einer Flamme bezeichnet. In [77] ist diese Phase mit einem

Brennstoffmassenumsatz von 1% bis 2% und in [78, 79] mit 0,2 % definiert. Die

Größenordnung des ausgebildeten Flammenkerns liegt bei ca. 10 mm. Zeitlich nimmt diese

Phase der Verbrennung ca. 30 % der gesamten Verbrennungsdauer in Anspruch [77].

In der Phase der turbulenten Flammenausbreitung verbrennt der größte Anteil der

Zylinderladung. Die Phase beginnt mit der stabilisierten turbulenten Flammenausbreitung und

endet, sobald die gesamte Zylinderladung von der Flammenfront eingeschlossen ist.

Allgemein definiert wird diese Phase über einen Brennstoffmassenumsatz von 10 % bis

90 % [74].

2.5.2 Chemilumineszenz

Bei der Verbrennung verschiedener Kohlenwasserstoffverbindungen und von Wasserstoff

wird eine Eigenstrahlung der Flamme emittiert, eine Emission von Photonen bei der

Deaktivierung kurzlebiger Radikale. Diese Zwischenprodukte der chemischen Reaktion, wie

OH*, CH* oder CO2*, leuchten in charakteristischen Emissionsbanden im ultravioletten

sowie sichtbaren Spektralbereich und liefern Informationen über Bedingungen unmittelbar in

der Reaktionszone.

In Kohlenwasserstoffgemischen wird als dominierender Bildungspfad von OH*, dem

signalstärksten Radikal, die Reaktion von Kohlenwasserstoffverbindungen mit

Sauerstoffmolekülen erachtet, die zur Freisetzung von Kohlenmonoxid-Molekülen und OH*-

Radikalen in der Reaktionszone führen (Formel 5) [80]:

𝐶𝐻 + 𝑂2 = 𝐶𝑂 + 𝑂𝐻∗ (5)

Dieser Entstehungsprozess gilt als nur geringfügig temperatursensitiv [81] und trägt bei

niedrigen Drücken zur Bildung von 90 % der OH*-Radikale bei [82].

Eine weitere in der Literatur dokumentierte Bildungsreaktion von OH* bei der Verbrennung

von Kohlenwasserstoffverbindungen erfolgt über das Formyl-Radikal HCO, wird aber nicht

als dominierender Entstehungspfad befunden (Formel 6) [83]:

Grundlagen

- 21 -

𝐻𝐶𝑂 + 𝑂 = 𝐶𝑂 + 𝑂𝐻∗ (6)

Bei der Verbrennung von Wasserstoffgemischen führt hauptsächlich die Reaktion von

Wasserstoffatomen H und Sauerstoffatomen O mit Beteiligung von Stoßpartnern M zur

Bildung von OH*-Radikalen, vorwiegend in der primären Reaktionszone sowie teilweise bei

den Produktgasen. Der Bildungspfad ist stark druckabhängig und trägt zu 50 % der OH*-

Formierung bei ca. 15 bar bei [82]. Die Reaktionsgleichung ist in Formel 7 beschrieben:

𝐻 + 𝑂 + 𝑀 = 𝑀 + 𝑂𝐻∗ (7)

Der Abbau des OH*-Radikals erfolgt im Wesentlichen über die Emission eines Photons mit

der Energie EPhoton, die sich aus dem Produkt des planckschen Wirkungsquantum h und der

Lichtfrequenz v ergibt (Formel 8):

𝑂𝐻∗ = 𝑂𝐻 + ℎ𝑣 (8)

Einen weiteren Deaktivierungspfad für OH* bietet die Kollision mit einem neutralen

Stoßpartner (Formel 9):

𝑂𝐻∗ + 𝑀 = 𝑂𝐻 + 𝑀 (9)

Die Intensität der OH*-Chemilumineszenz ist abhängig von Druck, Temperatur und dem

Brennstoffverhältnis des Gemisches vor der Verbrennung.

In Abbildung 11 (links) ist die OH*-Emissionsintensität IOH* einer Methan-Luft-Flamme für

Umgebungsbedingungen sowie erhöhte Temperatur und erhöhten Druck (Sekundärachse)

über das Brennstoffverhältnis abgetragen. Die Intensität IOH* ist dabei auf die

Wärmefreisetzungsrate pro Flammenfläche normiert, q [W/cm²]. Das normierte OH*-Signal

nimmt stetig mit zunehmendem Brennstoffverhältnis zu und wird durch höhere

Temperaturen verstärkt, jedoch mit zunehmendem Druck stark abgeschwächt [82].

Abbildung 11: OH*-Chemilumineszenz bei verschiedenen Drücken und Temperaturen [82]:

a) Variation des Kraftstoff-Luft Äquivalenzverhältnisses

b) Variation der Abgasrückführungsrate (OH*: stetige Line, CH*: Line mit

Markierung)

Grundlagen

- 22 -

Die normierte Emissionsintensität des OH*-Radikals zeigt keine signifikante Abhängigkeit

vom Restgasgehalt, im Gegensatz zur CH*-Emission (Sekundärachse), dargestellt in

Abbildung 11 (rechts). Das unterschiedliche Emissionsverhalten einzelner Radikale bei

variierendem Brennstoffverhältnis und Restgasgehalt liefert mittels spektral separierter

bildgebender Detektion der einzelnen Emissionsbande zeitlich und räumlich aufgelöste

Informationen über das Verbrennungsluftverhältnisses in der Reaktionszone [82]. Darüber

hinaus kann durch die Detektion der Chemilumineszenz einzelner Radikale, die

Flammenposition, deren Struktur und Ausbreitung bestimmt werden. Die Chemilumineszenz

dient dabei auch als Indikator der Wärmefreisetzung [84].

Das Emissionsspektrum einer Methan-Flamme ist für das Brennstoffverhältnis = 1 in

Abbildung 12 dargestellt. Der Emissionspeak des OH*-Radikals liegt bei 308 nm, des CH*-

Radikals bei 431 nm.

Abbildung 12: Emissionsspektrum einer CH4-Flamme [85]

2.5.3 Flammenvisualisierung

Bildgebende Messtechnik ermöglicht eine nicht-invasive räumlich und zeitlich aufgelöste

Erfassung einzelner Aspekte des Verbrennungsprozesses. Mit passiver Messtechnik, wie der

Detektion der initialen Flammenkernentwicklung und turbulenten Flammenausbreitung

mittels Chemilumineszenz-Messungen, können Erkenntnisse über die Brennstoffumsatzrate

gewonnen werden, bevor die Druckindizierung diese Informationen liefert [7-11]. Zusätzlich

bietet die Detektion des Zündfunkens Informationen über das Strömungsfeld unmittelbar an

der Zündkerze [75, 76]. Aktive laserbasierte Messverfahren eröffnen eine Bandbreite

messtechnischer Möglichkeiten, sind jedoch räumlich in der Regel auf die Ebene eines

Lichtschnittes beschränkt. Im Folgenden wird der Stand der Technik in der Visualisierung der

ottomotorischen Verbrennung in optischen Motoren und mittels endoskopischer Zugänge zur

Bewertung des Brennvorganges, anhand ausgewählter Literatur, beschrieben.

Grundlagen

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Die Entwicklung von Magermischkonzepten im fremdgezündeten Verbrennungsmotor, zur

Reduktion der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs, ist limitiert durch zyklische

Schwankungen in der Flammeninitiierung. Aleiferis untersuchte im optischen Motor die

Flammenkernbildung sowie frühe Flammenentwicklung in [7, 8, 10, 11]. Zyklische

Variationen in der Verbrennung wurden durch eine Variation verschiedener

Einflussparameter, wie die Energie der Zündung, die Ausrichtung der Zündkerze oder das

Verbrennungsluftverhältnis, in Kombination mit einer bildverstärkten

Doppelbildvisualisierung der Flammenentwicklung, analysiert. In einer weiteren

Untersuchung zur lokalen und globalen Bestimmung des Verbrennungsluftverhältnisses

wurde zusätzlich zur Doppelbildvisualisierung der Flamme das OH*/CH*-Verhältnis in der

unmittelbaren Nähe zur Zündkerze über eine Cassegrain-Optik erfasst [8]. In [11] untersuchte

Aleiferis den Zusammenhang zwischen der Flammengröße, der Ausbreitungsgeschwindigkeit

und der Flammenschwerpunktlage in Bezug auf motorische Parametern. In Abbildung 13 a ist

die gesamtspektrale Flammenvisualisierung für eine Magermischverbrennung mit einem

Kurbelwinkelversatz von 5°KW abgebildet. Der Zusammenhang zwischen dem

Brennstoffumsatzpunkt xB = 5% und der Flammenwachstumsgeschwindigkeit ist in

Abbildung 13 b dargestellt.

Abbildung 13: Frühe Flammenausbreitung bei Magermischbetrieb [11]:

a) Sichtzugang durch die Kolbenkrone (Visualisierung bei 20°KW n. ZZP)

b) Sichtzugang durch den Glasring (Visualisierung bei 25°KW n. ZZP)

c) Zusammenhang zwischen Brennstoffumsatzrate und Flammengeschwindigkeit

Eine simultane Untersuchung der Flammenausbreitung mit passiver und aktiver Messtechnik

erfolgte mittels Chemilumineszenz-Detektion und OH-LIF-Messung für Benzin und

Wasserstoffbetrieb in [9], für Dieselanwendungen in [86]. Der Einfluss verschiedener

Kraftstoffe auf die Flammenentwicklung wurde in einem direkt einspritzenden Motor für

Benzin, Methan, Iso-Oktan, Ethanol und Butanol mittels Chemilumineszenz-Detektion im

sichtbaren Bereich in [10] untersucht.

Eine Gegenüberstellung von Flammenvisualisierungen in unterschiedlichen Spektralbereichen

erfolgte in [87] mit einer bildverstärkten Hochgeschwindigkeitsaufnahme von homogener

Kompressionszündung und Klopfereignissen durch Detektion des gesamten Spektrums, der

OH*- und CH2O*-Chemilumineszenz. Die CH2O*-Front ist im Vergleich zur OH*-Front

schmaler ausgeprägt.

Grundlagen

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Zwei weitere Möglichkeiten der Visualisierung früher Flammenbildung verfolgten Dahms in

[75, 76] mittels Mie-Streulichtvisualisierung und der Detektion natriumverstärkten

Flammeneigenleuchtens, dargestellt in Abbildung 14.

Abbildung 14: Visualisierung der Flammeninitiierung und der frühen Flammenkernbildung:

a) Mie-Streulichtvisualisierung [75]

b) Natriumverstärktes Flammeneigenleuchten [76]

Anhand der elastischen Streuung von Laserlicht an Silikonpartikeln (~1 µm) wurde die Mie-

Streulichtvisualisierung in Abbildung 14 a zur Auflösung der stark verwundenen frühen

Flammenfront realisiert. Die Anregung erfolgte mit einem zweidimensionalen Lichtschnitt

(d < 1 mm) eines Kupferdampflasers mit einer Repetierrate von 12 oder 24 kHz. Detektiert

wurde die elastischen Streuung durch einen schmalbandigen Bandpassfilter (510 nm) mit

einer Hochgeschwindigkeitskamera (Phantom 7.1). In Bereichen der Flammenausbreitung

liegt kein Signal vor, weil die streuenden Partikel verdampft oder verbrannt sind. Zur besseren

Visualisierung der Flamme und des Zündfunkens, dargestellt in Abbildung 14 b, wurde dem

Kraftstoff ein Additiv mit Natrium beigefügt, welches das Eigenleuchten des Zündfunkens,

der Flammenkernbildung und der vorgemischten Flamme verstärkt. Die Detektion erfolgte

simultan mit zwei Hochgeschwindigkeitskameras durch den Glasring und den Glaskolben.

Dabei wurde die Natrium-Emission mit einem Interferenzfilter (590 ± 10 nm) von der

breitbandigen Emission des Zündfunkens und der Schwarzkörperstrahlung des Rußes

separiert.

Eine weitere Möglichkeit zur Abbildung der Flammenstruktur über den Abbrand

signalerzeugender Partikel oder Moleküle verfolgte Attar in [88] mit PLIF-Messungen in

einem optischen Motor. Das ursprünglich für die Zwei-Farben-LIF-Methode ausgelegte

Messsystem zur räumlich aufgelösten Temperaturbestimmung basierte auf der Anregung des

Tracers 3-Pentanon mittels zweier Wellenlängen, 308 nm aus einem Xenon-Chlorid-Excimer-

Laser und 277 nm aus einem Krypton-Fluorid-Laser. Mit einer bildverstärkten CCD-Kamera,

gekoppelt mit einem UV-Objektiv 105 mm f/4.5 und einem WG360-Filter, wurde die

Fluoreszenz mit Doppelbildern erfasst. Zur gleichmäßigen Verteilung des Tracers wurde Iso-

Oktan und 3-Pentanon sowohl ins Saugrohr als auch direkt in den Brennraum eingespritzt.

Der Abbrand der Tracer-Moleküle reduzierte das homogene Fluoreszenzsignal in der

Grundlagen

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Messebene, wodurch die gefaltete Flammenstruktur, dargestellt in Abbildung 15 a, visualisiert

wurde. Das Ergebnis der segmentierten Fläche zeigt für beide Wellenlängen Abbildung 15 b.

Abbildung 15: Visualisierung der Flammenstruktur durch negative PLIF [88]:

a) 3-Pentanon negativ PLIF mit λ = 308 nm und λ = 277 nm

b) Flammengrenzline nach Binarisierung

Eine Applikation von lichtleiterbasierten Endoskopen in einem BMW Rotax F-650

Serienmotor wird in einer Arbeit von Han et al. in [29] beschrieben. Die

Hochgeschwindigkeitsvisualisierung der Flamme wurde simultan mit drei bildverstärkten

Kameras, angebunden über optische Fasern an die Endoskope, ausgeführt. Das Sichtfeld der

einzelnen luftgekühlten Endoskope ist in Abbildung 16 a und das auf die einzelnen Kameras

projizierte Signal nach Hintergrund- und Faserdurchsatzkorrektur in Abbildung 16 b

dargestellt.

Abbildung 16: Dreidimensionale Hochgeschwindigkeitsvisualisierung der Verbrennung:

a) Sichtfeld der einzelnen Faserendoskope

b) Simultane Flammendetektion

Grundlagen

- 26 -

Eine trigonale Anordnung der Endoskope im Zylinderkopf ermöglichte eine tomografische

Flammenanalyse. Anhand der Verrechnung der projizierten Flammenfläche und der

geometrischen Anordnung der Detektionsoptik wurde ein dreidimensionales Modell zur

Beschreibung des Flammenvolumens und der Flammenschwerpunktlage über den

Kurbelwinkel erstellt.

Erste Messungen mit diesem UV-Endoskopsystem wurden bereits vor dieser Arbeit

durchgeführt [5]. Dabei wurde das UV-Endoskop in Kombination mit einer bildverstärkten

CCD-Kamera und einem Bandpassfilter BP 312 ± 17,5 nm zur Visualisierung der

Verbrennung über die OH*Chemilumineszenz in einem seriennahem BMW-Motor eingesetzt.

Die in Abbildung 17 dargestellten Aufnahmen sind Einzelzyklusaufnahmen

aufeinanderfolgender Arbeitsspiele. Aufbauend auf diesen Vorarbeiten wird hier die

Abbildungsgüte der kurbelwinkelsynchronen Flammendetektion maßgeblich verbessert und

durch eine systematische Untersuchung der Flammenausbreitung, anhand morphologische

Bildanalysen, erweitert.

Abbildung 17: Endoskopische Visualisierung von OH*Chemilumineszenz der Flammenentwicklung in

einem seriennahmen Verbrennungsmotor [5]

In einer weiteren Arbeit wurde die OH*-Chemilumineszenz endoskopisch zur Visualisierung

von Klopfereignissen und irregulärer Verbrennungszyklen mit einer Hochgeschwindigkeits-

kamera detektiert [62]. Die Messung erfolgte in einem seriennahen, aufgeladenen

Vierzylindermotor der Volkswagen AG, mit erhöhtem Verdichtungsverhältnis und Kraftstoff

der Oktanzahl 90. In Abbildung 18 ist die Entwicklung einer regulären Flamme (a) in

Gegenüberstellung zum Klopfereignis (b) dargestellt.

Grundlagen

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Abbildung 18: Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der OH*Chemilumineszenz [62]:

a) Reguläre Verbrennung

b) Klopfende Verbrennung

Grundlagen

- 28 -

2.6 Temperaturmessung

2.6.1 Laserinduzierte Fluoreszenz

Laserinduzierte Fluoreszenz ist ein aktives Messverfahren das auf der Anregung eines

Moleküls oder Atoms durch den Energieeintrag eines Laserpulses in einen höheren

elektronischen Zustand basiert. Die anschließende Relaxation der eingetragenen Energie

erfolgt teilweise über eine spontane Emission eines Photons, der sogenannten Fluoreszenz.

Eine detaillierte Erklärung der laserinduzierten Fluoreszenz erfolgt anhand der Quelle [69].

Anhand des Jabłonski-Diagramms, dargestellt in Abbildung 19, lässt sich die Anregung von

Molekülen in energetisch höher liegende Zustände sowie die Relaxation in den Grundzustand

über strahlender Prozesse, wie der Fluoreszenz oder Phosphoreszenz, oder nicht-strahlende

Prozesse beschreiben. Strahlende Prozesse, die Absorption oder Emission von Photonen, sind

durch eine gerade Linie im Diagramm gekennzeichnet, nicht-strahlende Prozesse durch eine

geschwungene Linie. Ein Energieübertrag ohne Veränderung der Gesamtenergie wird durch

horizontale Energiekonversationspfade dargestellt, eine Änderung des Energieniveaus

vertikal. Der Effekt der Energieübertragung auf andere Moleküle, die sogenannte

Fluoreszenzverlöschung (engl. Quenching), ist im Jabłonski-Diagramm nicht berücksichtigt.

Abbildung 19: Photophysikalische Energietransferprozesse zur Deaktivierung angeregter organischer

Moleküle (Jabłonski-Diagramm) [69]

Durch die Anregung eines Moleküls mit elektromagnetischen Wellen, bei kleinen Molekülen

in der Regel im UV-Bereich, werden Elektronen durch Absorption der Energie aus dem

Grundzustand S0 auf ein energetisch höheres Energieniveau angeregt. Die einzelnen

Energieniveaus des Moleküls werden durch die Rotation- und Schwingungsniveaus

vorgegeben. Entsprechend des Zustandes erfolgt die Bezeichnung der Spinmultiplizität 2S+1

bei einem Gesamtspin von S = 0 als „Singulett“ und bei einem Gesamtspin von S = 1 als

„Triplett“. Das Anregungsniveau wird durch Indizes gekennzeichnet.

Grundlagen

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Deaktiviert werden angeregte Moleküle auf verschiedenen Wegen über chemische und

physikalische Prozesse. Zu den chemischen Energiekonversionen zählen die Dissoziation und

photoinduzierte Reaktionen. Physikalische Wege der Deaktivierung stellen die nicht-

strahlenden Prozesse, die strahlenden Prozesse und die Fluoreszenzverlöschung (Quenching)

dar. Die nicht-strahlende Deaktivierung, bezeichnet als vibronische Relaxation (engl.:

vibrational relaxation, VR), erfolgt über den Energieübertrag an umliegende Moleküle

(Trägergas) durch Anregung derer Rotations- und Schwingungszustände. Weitere Formen des

nicht-strahlenden Energieübertrags stellen die innere Energieumwandlung (engl.: internal

conversion, IC) und das Intersystem Crossing (engl.: intersystem crossing, ISC) dar. Zur

inneren Energieumwandlung zählt der Energieübertrag zwischen einem angeregten Zustand in

einen tieferliegenden elektronischen Zustand gleicher Multiplizität, zum Beispiel S1 → S0,

während das Intersystem Crossing den Energieübertrag in einen Zustand veränderter

Multiplizität darstellt, zum Beispiel S1 → T1.

Die strahlende Relaxation eines Moleküls aus dem angeregten Zustand in den Grundzustand

wird als Lumineszenz bezeichnet. Differenziert wird bei der Lumineszenz zwischen der

Fluoreszenz, einem kurzlebigen Prozess innerhalb von 100 ns, sowie der Phosphoreszenz,

einem langlebigen Vorgang innerhalb von Millisekunden bis Sekunden. Fluoreszenz ist eine

spontane Emission von Licht infolge der Relaxation vom energetisch angeregten Zustand S1

in den Grundzustand S0 unter Beibehalt der Multiplizität des Spins, ein „spinerlaubter“

Übergang. Phosphoreszenz ist ein wesentlich längerer Prozess, da ein „spinverbotener“

Übergang aus dem Triplett T1 in den Singulett-Grundzustand S0 erfolgt, mit Änderung der

Multiplizität des Spins. In der Regel sind die Fluoreszenz und die Phosphoreszenz energetisch

niedriger als deren vorherige Anregung.

Messtechnisch kann das Fluoreszenzsignal bei genauer Kenntnis der photophysikalischen

Eigenschaften der angeregten Spezies zur Quantifizierung von Zustandsgrößen im Messraum

verwendet werden. Eine Beschreibung der detektierten Fluoreszenzintensität erfolgt dabei

über folgende Gleichung (Formel 10):

𝐼LIF = 𝐼Laser ∙ 𝛺 ∙ 𝜂 ∙ 𝑛 ∙ 𝜎𝑎𝑏𝑠(𝜆, 𝑇) ∙ 𝜙(𝜆, 𝑇, 𝑝, 𝑝o2) (10)

ILaser Laserintensität

Ω Sammelwinkel

η Quanteneffizienz (Detektion)

n Teilchenanzahldichte

σabs Absorptionsquerschnitt

ϕ Fluoreszenzquanteneffizienz

Die Intensität ILIF der Fluoreszenz ist eine Funktion der Intensität ILaser, des

Sammelwinkels Ω, der Quanteneffizienz η der Detektion, der Teilchenanzahldichte n, des

Absorptionsquerschnittes σ sowie der Fluoreszenzquanteneffizienz ϕ. Bei schwacher

Anregung steigt die LIF-Intensität linear mit der Laserintensität ILaser, mit höhere

Laserintensität nimmt der Zuwachs des LIF-Signals mit steigender Laserleistung ab, bis hin

Grundlagen

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zur Sättigung, bei der das Signal mit hoher Laserleistung nicht weiter steigt. Der

Sammelwinkel Ω und die Quanteneffizienz η sind in der