Ns aufnahme beheizter vibrator

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Eine Ausgleichsgerade ist schwarz gestrichelt eingezeichnet. Dieser Wert wird als Stützstelle für die Kalibrierung verwendet. In einem weiteren Schritt wird die Steigung der Kalibriergeraden bestimmt. Hierzu wird ein Ensemble von 45 Arbeitsspielen betrachtet. Dieser Sachverhalt ist beispielhaft in Abbildung 2. Jeder Datenpunkt graue und rote Kreise repräsentiert einen individuellen Motorzyklus. Zudem ist eine Ausgleichsgerade an die Daten schwarz gestrichelt eingezeichnet.

Zum einen treten im Brennraum zyklische Schwankungen in der Temperaturverteilung auf. Wie in Gleichung 2. Da die Gemischbildung ein dynamischer Prozess ist, kann sich das lokale Gemisch zwischen den beiden Aufnahmezeitpunkten leicht verändern.

Dieses hat ebenfalls direkten Einfluss auf die Kalibrierung. Der zeitliche Versatz zwischen den Messungen ist allerdings notwendig, da andernfalls das helle Strahlungskontinuum des Plasmas das LIF-Signal überstrahlt.

Um diese Unsicherheit zu reduzieren, werden nur Zyklen kalibriert, welche in guter Übereinstimmung mit der Ausgleichsgeraden liegen rot eingezeichnet. Der Parameter m beschreibt die Steigung der Ausgleichsgeraden. ZOT mittels eines Mehrlochventils. Der Einspritzdruck beträgt 5 bar und liegt somit bei einem vergleichsweise niedrigen Druckniveau. Im Gegensatz zur Einspritzung in das Saugrohr sind in der Gemischverteilung nun erste Inhomogenitäten zu erkennen.

Zu späteren Einspritzzeitpunkten wird, wie erwartet, die Gemischverteilung noch inhomogener. Dieses ist in Abbildung 2. Direkteinspritzung bei 18 KW v. Der Kraftstoff befindet sich hierbei lediglich im oberen rechten Bereich des Brennraums. Zusammenfassend entsprechen die Ergebnisse der Erwartung. Während bei der Einspritzung in das Saugrohr ein homogenes Gemisch erzeugt wird, treten bei der Direkteinspritzung Inhomogenitäten in der Gemischverteilung auf.

Mit späterem Einspitzzeitpunkt nehmen die Inhomogenitäten zu, da das Zeitfenster für die Gemischaufbereitung verkürzt wird. Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff im Kompressionstakt eingespritzt und somit eine Ladungsschichtung zwischen Kraftstoff und Frischluft erzeugt. Hierbei muss reproduzierbar sichergestellt werden, dass zum Zündzeitpunkt zündfähiges Gemisch am Zündort vorliegt. Hieraus können Verbesserungen in Bezug auf die Auslegung des Einspritzventils oder die Position des Zündortes abgeleitet werden.

Im Folgenden werden zwei Einspritzventile ein Mehrlochventil und ein rotationssymmetrisches Ringspaltventil betrachtet. Zudem wird die Position des Zündplasmas variiert. Neben dem bisherigen 6 mm Abstand zum Austrittsfenster des Zündlasers wird auch ein tieferer Zündort mit 11 mm Abstand untersucht.

Es ist zu beachten, dass diese Betriebsparameter keinen typischen Schichtbetrieb darstellen. Normalerweise wird im Schichtbetrieb der Motor entdrosselt d. Die verwendeten Motorparameter beeinflussen jedoch nicht das prinzipielle Problem der räumlichen Zuordnung zwischen Kraftstoff und Zündort.

Aufgrund des angedrosselten Motorbetriebes verschlechtert sich allerdings die Laufruhe deutlich. Um dieses zu kompensieren, wird mehr Kraftstoff hinzugefügt und der Motor bei stöchiometrischem Gemisch betrieben.

Der Einspritzzeitpunkt liegt zwischen KW v. ZOT und wird jeweils so eingestellt, dass der bestmögliche Motorlauf d. In allen Aufnahmen ist zunächst die Ladungsschichtung deutlich zu erkennen. Die Einspritzung beginnt bei 25 KW v. Auch sind die verschiedenen Strahlkeulen des Kraftstoffsprays zu erkennen. Der Winkel zwischen den Strahlkeulen ist allerdings relativ klein, sodass sich die Kraftstoffwolke rechts Mehrlochventil mit 6 mm bzw.

Ringspaltventil mit 6 mm bzw. Somit ist offensichtlich, dass die Zuordnung zwischen Kraftstoff und Zündort ungenügend ist. Daher wird im Folgenden der Zündort versetzt und die 11 mm Position verwendet siehe Abbildung 2. Hierbei wird der Einspritzbeginn auf 32 KW v. ZOT verschoben, wodurch die Einspritzung kurz vor der Zündung bereits abgeschlossen ist. Zum Zündzeitpunkt liegt eine breit verteilte Kraftstoffwolke über dem Kolben.

Der Zündort befindet sich hierbei geringfügig über dem Rand der Kraftstoffwolke. Folglich ist die Zuordnung zwischen Kraftstoff und Zündort im Vergleich zu der 6 mm Zündposition deutlich besser.

Die Einspritzung beginnt bei 21 KW v. ZOT, sodass zum Zündzeitpunkt das Ventil noch geöffnet ist. Die Daten des 6 mm Zündortes sind als blaue Dreiecke eingezeichnet und die Daten des 11 mm Zündortes als rote Quadrate dargestellt. Kraftstoff und Zündort ungenügend. Zudem wird der Kraftstoff mit dem Ringspaltventil in drei kurz aufeinanderfolgenden Einspritzungen in den Brennraum eingebracht.

Hierbei beginnt die erste Einspritzung bei 3 KW v. Zudem konnte durch die Mehrfacheinspritzung die Eindringtiefe des Kraftstoffsprays reduziert werden. Während sich bei der Einfacheinspritzung Abbildung 2. Darüber hinaus weist die Kraftstoffwolke eine torusförmige Struktur auf. Durch die tiefere Position des Zündortes liegt dieser nun innerhalb der Kraftstoffwolke.

Die Zuordnung zwischen Kraftstoff und Zündort konnte somit mit dieser Kombination von Einspritzventil und Zündposition sehr gut erfüllt werden. Die Daten des 11 mm Zündortes rote Quadrate zeigen eine wesentlich breitere Verteilung. Die breite Verteilung ist durch die Position des Zündortes im Vergleich zur Kraftstoffwolke zu erklären siehe Abbildung 2.

Somit liegt in den meisten Zyklen reproduzierbar zündfähiges Gemisch am Zündort vor. Daher ist in diesem Fall die Zuordnung von Kraftstoff und Zündort deutlich besser als bei den vorherigen Messungen. Bei der Direkteinspritzung konnten hingegen deutliche Schwankungen beobachtet werden, wobei die Fluktuationen, wie erwartet, mit späterer Einspritzung stark ansteigen.

Für den restlichen Verlauf des Verbrennungsprozesses wurde kein signifikanter Zusammenhang gefunden. Darüber hinaus zeigen die Daten, dass ein sehr mageres Gemisch am Zündort eine wichtige Quelle für einzelne Zündaussetzer darstellt. Die Einspritzung in das Saugrohr zeigte hierbei eine sehr homogene Gemischverteilung. Analyse der Brennraumströmung 3 Analyse der Brennraumströmung Eine weitere potenzielle Ursache für die zyklischen Schwankungen im Verbrennungsprozess ist die Brennraumströmung, welche im Rahmen dieses Kapitels behandelt wird.

Zur experimentellen Bestimmung der Brennraumströmung existieren mehrere optische Messtechniken. Bei dieser werden der Strömung ebenfalls Partikel zugegeben und in einem kurzen zeitlichen Abstand beleuchtet und fotografiert. In weiteren Studien wurden die zyklischen Schwankungen der Brennraumströmung analysiert [77, 78]. Die Auflösung ist hierbei ausreichend hoch, um die Entwicklung des Strömungsfeldes innerhalb eines Motorzyklus zu verfolgen. Messungen im gefeuerten Betrieb sind hingegen nur vereinzelt veröffentlicht [12, 14, 15].

Einen Überblick über mögliche Tracer gibt Reeder et al. Für motorische Anwendungen werden meist flüssige Tröpfchen z. Öltröpfchen als Tracer verwendet [11, 12].

Flüssige Tracer haben den Vorteil, dass sie kein abrasives Verhalten zeigen und somit den Motor nicht beschädigen. Nachteilig ist, dass sie bei hohen Temperaturen verdunsten. Daher sind Messungen zum Ende Analyse der Brennraumströmung der Kompression und während der Verbrennung nur schwer möglich.

Typische Feststofftracer sind TiO 2 oder sogenannte Microballons [13]. Diese Stoffe zeigen jedoch ein abrasives Verhalten und verursachen eine starke Abnutzung des Motors. Aus diesem Grund werden neuerdings Festschmierstoffe z. Bornitrid oder Graphit als Tracer eingesetzt [8]. Diese sind nicht abrasiv und somit gut für innermotorische Messungen geeignet.

Als Tracer kommen Graphitpartikel zum Einsatz, wodurch Messungen während des gesamten Motorzyklus ermöglicht werden. Zudem wird die Auswirkung der Benzindirekteinspritzung auf die Brennraumströmung betrachtet und Messungen im gefeuerten Motorbetrieb durchgeführt. Hierbei wird der Einfluss der Brennraumströmung auf die zyklischen Schwankungen des Verbrennungsprozesses bewertet. In einem modifizierten Versuchsaufbau wird zusätzlich zum Strömungsfeld das Flammeneigenleuchten simultan aufgezeichnet.

Das Kapitel ist wie folgt gegliedert. Hierbei werden die zyklischen Schwankungen der Brennraumströmung im geschleppten Motorbetrieb charakterisiert. Umfassende Informationen zur PIV können aus [81, 82] entnommen werden. Diese sind hierbei so gewählt, dass sie der Strömungsbewegung möglichst gut folgen. Die Partikel werden durch zwei kurz aufeinanderfolgende Lichtpulse im Abstand t zweimal beleuchtet. Typischerweise werden frequenzverdoppelte Nd: YAG-Doppelpulslaser mit Pulsdauern im ns-bereich verwendet.

Mithilfe optischer Linsen wird aus den Laserpulsen ein Lichtschnitt geformt und mit diesem die Partikel beleuchtet. Die Lage des Lichtschnittes definiert somit die zweidimensionale Messebene. Die Kamera nimmt kontinuierlich Bilder Analyse der Brennraumströmung Abbildung 3. Der eigentliche Aufnahmezeitpunkt wird durch den Laserpuls definiert, da dieser die Partikel beleuchtet. Daher kann der zeitliche Abstand zwischen den Laserpulsen deutlich kürzer als die Belichtungszeit der Kamera eingestellt werden.

Im nächsten Schritt werden die aufgezeichneten Bilder aufbereitet. Hierbei können, durch Abzug eines gleitenden Mittelwertes oder eines anderen geeigneten Hintergrundbildes, störende Reflexe und Hintergrundrauschen unterdrückt werden.

Zudem kann eine Korrektur der Intensitätsverteilung im Bild erfolgen. Eine Übersicht über die umfangreichen Möglichkeiten zur Bildaufbereitung preprocessing kann aus [81 83] entnommen werden. Zur Bestimmung des Partikelversatzes werden die Doppelbilder in Auswertefenster interrogation windows unterteilt siehe Abbildung 3.

Der Partikelversatz wird für jedes Auswertefenster mithilfe der diskreten Kreuzkorrelation ermittelt. Hierzu werden die Auswertefenster der beiden Bilder gegeneinander um den Wert x, y verschoben und der Kreuzkorrelationswert R I I x, y berechnet [81]. Wird der Korrelationswert für eine Reihe von Verschiebungen berechnet, entsteht eine Korrelationsebene. Da das Zeitintervall zwischen den Aufnahmen bekannt ist, lässt sich daraus der Geschwindigkeitsvektor bestimmen. Um die Genauigkeit der Auswertung zu erhöhen, kann der Partikelversatz in mehreren Iterationsschritten berechnet werden.

Hierbei werden die Auswertefenster schrittweise verkleinert. Zudem wird das zweite Auswertefenster um das Ergebnis der vorherigen Iteration verschoben. Darüber hinaus können kleinere Auswertefenster verwendet werden, was die Auflösung des Vektorfeldes erhöht [83].

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Auswertefenster überlappend anzuordnen, wodurch der Abstand zwischen den Vektoren verringert wird. Es ist zu beachten, dass bei der PIV nicht die Bewegung einzelner Partikel nachverfolgt wird, wie es z. Stattdessen wird die Verschiebung von Partikelstrukturen innerhalb des Auswertefensters betrachtet. Hierbei sollte jedes Auswertefenster idealerweise 5 15 Partikel enthalten [82].

Strukturen, die kleiner als das Auswertefenster sind, können daher nicht aufgelöst werden 1. Zudem können keine Rotationen oder Scherungen innerhalb eines Auswertefensters detektiert werden. Analyse der Brennraumströmung In den berechneten Vektorfeldern treten meist eine Anzahl offensichtlicher Fehlvektoren auf, die sich in Betrag oder Richtung deutlich vom restlichen Vektorfeld unterscheiden.

Die Fehlvektoren können durch Nachbearbeitung des Vektorfeldes und durch Validierungskriterien wie die Höhe des Korrelationspeaks reduziert oder vollständig entfernt werden. So weisen Fehlvektoren oft einen wesentlich höheren Geschwindigkeitsbetrag auf und können leicht durch Anwendung eines oberen Schwellwertes detektiert werden.

Auch kann das Verhältnis zwischen höchstem und zweithöchstem Wert in der Korrelationsebene geprüft werden. Unterschreitet das Verhältnis einen gewissen Grenzwert, so ist das Ergebnis nicht eindeutig, was die Wahrscheinlichkeit eines Fehlvektors erhöht. Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung von Fehlvektoren besteht darin, Vektoren mit ihren Nachbarvektoren zu vergleichen. Einen umfassenden Überblick über die Möglichkeiten zur Nachbearbeitung post-processing von Vektorfeldern liefern [81 83].

Zudem sind u 1 xi,y j und u 2 xi,y j die Geschwindigkeitskomponenten in x- und y-richtung am Ort x i, y j. Zudem wird lediglich die Energie innerhalb des Lichtschnittes bestimmt und nur die x- und y-geschwindigkeitskomponenten berücksichtigt. Entsprechend der Reynolds-Zerlegung kann das Strömungsfeld u in ein gemitteltes Geschwindigkeitsfeld u und einen fluktuierenden Anteil u zerlegt werden: Die Energie des fluktuierenden Anteils wird als turbulente kinetische Energie k bezeichnet und analog zu E kin berechnet [84].

Diese ist als Rotation der Strömungsgeschwindigkeit definiert. Daher wird pro Vektorfeld lediglich ein Skalar zur Beschreibung der Wirbelstärke verwendet. Da die Wirbelstärke von der Motordrehzahl n abhängt, ist es üblich, diese auf die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zu normieren. Für Tumble- Strömungen wird die normierte Wirbelstärke als Tumble-Zahl R t bezeichnet und kann als Verhältnis zwischen den Winkelgeschwindigkeiten des Tumble-Wirbels und der Kurbelwelle interpretiert werden [86].

Zur Bestimmung des Wirbelzentrums können verschiedenen Kriterien angewendet werden. Wie bereits in der Einleitung skizziert, müssen die Partikel für motorische Anwendungen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Zum einen sollen die Partikel kein abrasives Verhalten zeigen, um den Motor nicht zu beschädigen.

Zum anderen sollen sie auch bei hohen Temperaturen beständig sein, um Messungen während ZOT und der Verbrennung zu ermöglichen. Bornitrid oder Graphit kombinieren diese Eigenschaften und sind daher vielversprechende Tracerpartikel. Eine weitere Anforderung ist, dass die Tracerpartikel das Laserlicht möglichst gut streuen.

Allgemein wird die Lichtstreuung an sphärischen Objekten durch die Mie- Theorie beschrieben [88]. In diesem Bereich nimmt die Intensität der Rayleigh-Streuung mit kleiner werdendem Partikeldurchmesser stark ab I d 6 [89]. Hierbei ist die Intensität des gestreuten Lichtes proportional zur streuenden Oberfläche und somit quadratisch zum Partikeldurchmesser I d 2 [82]. Analyse der Brennraumströmung Auf der anderen Seite sollen die Tracerpartikel dem Strömungsfeld gut folgen.

Hierzu müssen die Partikel möglichst klein sein, wie im Folgenden gezeigt wird. Um das Folgevermögen der Partikel in einer Strömung zu bewerten, kann zunächst der Einfluss der Gravitationskraft betrachtet werden.

Um Effekte der Gravitation vernachlässigen zu können, muss die Sinkgeschwindigkeit wesentlich kleiner als die tatsächliche Geschwindigkeit der Strömung u sein u g u. In ähnlicher Weise kann das Verhalten der Partikelgeschwindigkeit u p auf eine Änderung in der Strömungsgeschwindigkeit beschrieben werden.

Eine typische Zeitskala der Brennraumströmung ist z. Diese beschreibt die Zeitskala der zeitlich veränderten geometrischen Randbedingungen. Sie ist charakterisiert über die Dauer eines Motortaktes und ergibt sich aus dem Hub s und der mittleren Kolbengeschwindigkeit v K bzw.

Analyse der Brennraumströmung 3. Da der verwendete Transparentmotor bereits in Abschnitt 1. Als Lichtquelle zur Beleuchtung der Partikel wird ein diodengepumpter frequenzverdoppelter Nd: Die Laserpulse haben eine Dauer von 1 ns und eine Wellenlänge von nm.

Zudem verfügt der Laser über zwei Resonatoren, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die Laserpulse des ersten Resonators beleuchten jeweils das erste Bild des Bildpaares und die Pulse des zweiten Resonators entsprechend das zweite Bild.

Die Repetitionsrate der Resonatoren beträgt maximal 1 khz und die Pulsenergie liegt bei ca. Der Lichtschnitt wird durch das Kolbenfenster in den Motor eingekoppelt und mittig zwischen den beiden Einlassventilen im Brennraum positioniert.

Zudem wird der Lichtschnitt senkrecht zur Achse der Tumble-Bewegung ausgerichtet. Im Brennraum hat der Lichtschnitt eine Dicke von 1 mm und eine Breite von 6 mm. Somit wird der optisch zugängliche Bereich des Transparentmotors nahezu vollständig ausgenutzt.

Die Lichtstreuung an den Partikeln wird daher durch die allgemeine Mie-Theorie beschrieben. Darüber hinaus wird für die Graphitpartikel kein abrasives Verhalten im Motor beobachtet. Es ist zu berücksichtigen, dass sich die Dichte des Mediums im Verlauf der Kompression verändert.

Zudem hängt die dynamische Viskosität von der Temperatur ab und ist somit ebenfalls während des Motorzyklus nicht konstant.

Der Einfluss der Gravitationskraft auf die Partikel kann demnach vernachlässigt werden. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Bornitridpartikel auf ihre Anwendbarkeit als Tracer bewertet. Bornitrid verursachte jedoch ein deutlich schnellere Verschmutzung des Transparentmotors und war somit als Tracer weniger gut geeignet.

Die Kamera ist senkrecht zum Lichtschnitt orientiert und die Auflösung beträgt px. Die maximale Aufnahmerate hängt von der verwendeten Auflösung ab und liegt in diesem Fall bei 6 khz. Zur Aufbereitung der Bilder wird zunächst ein gleitender Mittelwert mit einer Länge von 15 px subtrahiert und die Intensität der einzelnen Partikel normiert.

Der Partikelversatz wird mithilfe eines Kreuzkorrelationsalgorithmus bestimmt. Zur Nachbearbeitung der Vektorfelder wird ein Schwellwert für das Verhältnis zwischen höchstem und zweithöchstem Wert in der Korrelationebene angewendet.

Zudem wird jeder Vektor mit seinen acht Nachbarvektoren verglichen. Weicht ein Vektor signifikant von seinen Nachbarvektoren ab, so wird geprüft, ob der zweit- oder dritthöchste Korrelationswert besser zum lokalen Strömungsfeld passt.

Ist dieses der Fall, wird der entsprechende Vektor eingesetzt. Es ist jedoch zu beachten, dass keine Filterung der Vektorfelder durchgeführt wird. Hierzu kommen teilweise selbst erstellte Makroprogramme zum Einsatz. Die Betriebsparameter des Motors wurden innerhalb eines umfassenden Parameterbereiches variiert siehe Anhang A.

So wurden Untersuchungen bei verschiedenen Drehzahlen und Saugrohrdrücken durchgeführt. Auch wurden durch Modifikationen im Saugrohr verschiedene Ladungsbewegungen generiert. Zunächst wird in Unterabschnitt die ensemble-gemittelte Brennraumströmung im geschleppten Motorbetrieb charakterisiert.

Hierbei wird insbesondere das Verhalten des Strömungsfeldes zum Zünd-OT untersucht und der Einfluss der Benzindirekteinspritzung betrachtet.

Im letzten Unterabschnitt wird der Einfluss der Brennraumströmung auf den Verbrennungsprozess bewertet. Analyse der Brennraumströmung Charakterisierung der Brennraumströmung Um einen Gesamteindruck von der Brennraumströmung zu bekommen, ist in Abbildung 3.

Das Strömungsfeld wird von 36 KW v. Die Geschwindigkeitsbeträge sind farblich kodiert dargestellt siehe Farbbalken am jeweils rechten Bildrand. Zudem sind in der Abbildung die Geometrie der Einlassventile und des Kolbens skizziert. Sobald die Einlassventile gegen 33 KW v. ZOT öffnen, kann eine Luftströmung in den Brennraum beobachtet werden.

Bei KW v. Da die untere Hälfte des Ansaugkanals verschlossen ist, wird die Luft über die Oberseite der Einlassventile geleitet.

ZOT bewegt sich der Kolben weiter nach unten. Das Zentrum des Tumbel-Wirbels verschiebt sich ebenfalls abwärts und wandert aus dem einsehbaren Bereich heraus. ZOT sind die Einlassventile vollständig geschlossen und der Kolben bewegt sich zurück nach oben.

In der weiteren Kompressionsphase 1 54 KW v. ZOT bewegt sich der Tumble-Wirbel aufwärts und wird vertikal gequetscht. Gegen Ende der Kompression 8 KW v. ZOT ist der Tumble-Wirbel nach wie vor klar erkennbar.

Hierbei ist zu beachten, dass der einsehbare Anteil des Brennraums während des Zyklus variiert. So wird nur in einem Bereich von ca. Der ensemble-gemittelte Verlauf ist blau eingezeichnet und der graue Hintergrund kennzeichnet die Standardabweichung der Daten.

Zudem ist in der Abbildung der Hub der Einlassventile rot gestrichelt skizziert. Zu Beginn des Einlasstaktes 36 KW v. Mit dem Öffnen der Einlassventile 34 3 KW v. ZOT steigt die kinetische Energie auf ihren Maximalwert von ca. Auf diesem Niveau verbleibt die Energie bis etwa 26 KW v.

ZOT ist das Energieniveau weitestgehend konstant. Zum Ende der Kompression 2 KW v. ZOT kann erneut ein leichter Rückgang in der kinetischen Energie beobachtet werden. Dies lässt den Zerfall des Tumble-Wirbels vermuten und wird später in diesem Abschnitt genauer untersucht. Analyse der Brennraumströmung Kolben KW v. ZOT y-position [mm] y-position [mm] KW v. ZOT y-position [mm] KW v. Die Geschwindigkeitsbeträge sind farblich kodiert dargestellt. Die Farbskala ändert sich während der Sequenz.

ZOT 1 5 Abbildung 3. Tumble- Zahl des Strömungsfeldes für Einlass- und Kompressionstakt. Ensemble-gemittelte Daten sind blau dargestellt. Der graue Hintergrund kennzeichnet die Standardabweichung der Daten.

Der Ventilhub der Einlassventile ist in a rot gestrichelt eingezeichnet. Der Verlauf der Daten ist dem der kinetischen Energie qualitativ sehr ähnlich. Das Energieniveau ist jedoch deutlich geringer. Zudem ist in der Abbildung der Bereich eingezeichnet, in welchem das Tumble-Zentrum unterhalb des einsehbaren Sichtfensters liegt. Daher können die Daten in diesem Bereich nur eingeschränkt interpretiert werden. Dieser Effekt ist jedoch teilweise darauf zurückzuführen, dass sich das Tumble-Zentrum aus dem Sichtfenster heraus bewegt.

Zum Abschluss der Kompression 2 KW v. Dieser Rückgang lässt ebenfalls den Zerfall des Tumble-Wirbels vermuten. Daher wird im Folgenden die Brennraumströmung in diesem Zeitbereich genauer untersucht. Hierzu wird in einer weiteren Messung das Strömungsfeld zwischen 1 KW v. ZOT und 1 KW n. Aufgrund des kleineren Aufnahmebereiches können nun 36 aufeinanderfolgende Motorzyklen detektiert werden. Zudem wird die Anzahl der Graphitpartikel an das untersuchte Brennraumvolumen angepasst und entsprechend reduziert.

Zu Beginn der Sequenz 2 KW v. Bei 1 KW n. ZOT vollständig verschwunden ist. Die ensemble-gemittelten Daten sind blau dargestellt und die Standardabweichung durch den grauen Hintergrund gekennzeichnet. Analyse der Brennraumströmung 45 2 KW v. ZOT Kolben x-position [mm] x-position [mm] Abbildung 3. So bleibt zwischen 4 2 KW v.

Die verlorene Energie kann über verschiedene Mechanismen erklärt werden. Da mit PIV nur zwei Komponenten des Strömungsfeldes in einer Messebene erfasst werden, kann die Energie prinzipiell in die dritte Geschwindigkeitskomponente oder eine andere Ebene übergegangen sein.

Es ist jedoch anzunehmen, dass der Hauptteil der Energie in kleinskalige Wirbelstrukturen dissipiert ist. Im weiteren Verlauf ab 2 KW n. Daraus kann gefolgert werden, dass der Tumble-Zerfall zu diesem Zeitpunkt vollständig abgeschlossen ist. Die turbulente kinetische Energie Abbildung 3. Die erwartete Zunahme der turbulenten Fluktuationen aufgrund des Tumble-Zerfalls Zeitliche Entwicklung der a: Hierfür existieren mehrere Ursachen.

Zum einen beschreibt die turbulente kinetische Energie lediglich die Abweichung des Strömungsfeldes vom ensemble-gemittelten Strömungsfeld vergleiche Abschnitt 1. Der Abfall der turbulenten kinetischen Energie um ZOT ist daher allgemein durch das gesunkene Geschwindigkeitsniveau in den Vektorfeldern zu erklären. Die Entwicklung der Tumble-Zahl Abbildung 3. Im Bereich zwischen 4 2 KW v. Dies entspricht etwas mehr als der Hälfte im Vergleich Analyse der Brennraumströmung zum Maximalwert.

Bis etwa 2 KW n. Somit ist der Zerfall des Tumble-Wirbels zu diesem Zeitpunkt abgeschlossen. ZOT zu zerfallen und ist bei 2 KW n. ZOT ist allerdings noch eine signifikante Tumble-Struktur vorhanden.

Der Ansteuerbeginn der Einspritzung liegt bei 18 KW v. ZOT und wurde entsprechend gewählt, um die Verschmutzung der optischen Zugänge des Motors zu minimieren.

Eine Zündung des Luft-Kraftstoff- Gemisches findet nicht statt. Zudem ist in der Abbildung das Kraftstoffspray eingeblendet. Es ist zu beachten, dass sich der zeitliche Abstand zwischen den Bildern innerhalb der Sequenz verändern. Bei 18 KW v. ZOT hat die Einspritzung noch nicht begonnen, sodass die Brennraumströmung noch unbeeinflusst ist. Ein Bild später startet die Einspritzung bei KW v.

Das Kraftstoffspray ist dabei deutlich am oberen Bildrand zu erkennen. ZOT wieder geschlossen wird. Kurz nach der Einspritzung KW v. ZOT sind wesentliche Veränderungen in der Brennraumströmung zu beobachten. Bei 1 KW v. ZOT können im Strömungsfeld keine wesentlichen Veränderungen aufgrund des Einspritzvorgangs mehr beobachtet werden.

Lediglich das Geschwindigkeitsniveau ist im Fall der Einspritzung etwas geringer. Somit tritt nur kurzzeitig eine starke Veränderung in der Brennraumströmung infolge der Direkteinspritzung auf. Im weiteren Verlauf des Motorzyklus reduziert sich dieser Effekt deutlich, sodass am Ende nur leichte Modifikationen im Strömungsfeld zu erkennen sind.

Analyse der Brennraumströmung KW v. ZOT 17 KW v. ZOT 3 y-position [mm] KW v. ZOT 1 1 y-position [mm] KW v. Einfluss der Benzindirekteinspritzung auf die Brennraumströmung. Der zeitliche Abstand zwischen den Bildern verändern sich innerhalb der Sequenz. Ensemble-gemittelte kinetische Energie des Strömungsfeldes ohne schwarz gestrichelt und mit Direkteinspritzung blau. Der graue Hintergrund kennzeichnet die Standardabweichung der Daten mit Einspritzung.

Um den Einfluss des Einspritzvorgangs zu quantifizieren, ist in Abbildung 3. Die Daten ohne Einspritzung wurden bereits in Abbildung 3. Der Zeitpunkt der Einspritzung ist ebenfalls in der Abbildung eingezeichnet. Bis zum Einspritzbeginn ist die kinetische Energie für die Aufnahmen mit und ohne Einspritzung im Rahmen der Standardabweichung identisch.

Somit wird die Energie im Strömungsfeld durch die Einspritzung temporär mehr als verdoppelt. Ab etwa KW v. ZOT sinkt die kinetische Energie wieder ab und die Verläufe der Messungen mit und ohne Einspritzung nähern sich einander an.

ZOT schneiden sich beide Kurven und für den restlichen Verlauf der Kompression liegt die kinetische Energie des Strömungsfeldes mit Einspritzung leicht unter der Energie des Strömungsfeldes ohne Einspritzung. Zusammenfassend zeigen die Untersuchungen, dass der Einspritzvorgang das Strömungsfeld kurzzeitig massiv beeinflusst.

Infolge der Einspritzung kommt es zu einer signifikanten Erhöhung der kinetischen Energie und zu einer Verlagerung des Tumble-Zentrums. Die Einspritzung beeinflusst das Strömungsfeld allerdings nicht dauerhaft. Im untersuchten Betriebspunkt können ca. Analyse der Brennraumströmung Zyklische Schwankungen der Brennraumströmung Die bisherigen Ergebnisse behandelten ensemble-gemittelte Daten.

Die Brennraumströmung variiert jedoch deutlich von Motorzyklus zu Motorzyklus. Um die zyklischen Schwankungen genauer zu untersuchen, wird im Folgenden die Anzahl der aufgenommenen Zyklen auf 75 erhöht. Zur Visualisierung der Schwankungen ist in Abbildung 3. Die drei Zyklen 14, 25, 47 sind willkürlich gewählt und zu den Zeitpunkten 9, 6 und 3 KW v. In allen drei Zyklen ist eine Tumble-Struktur klar im Strömungsfeld zu erkennen.

In Zyklus 14 stimmt bei 9 KW v. Bei 3 KW v. ZOT am unteren linken Bildrand. Während der Kompression 6 KW v. Schlussendlich wird er bei 3 KW v. ZOT vertikal gequetscht und weist eine elliptische Form auf.

In Zyklus 47 ist bei 9 KW v. Neben den zyklischen Schwankungen der Tumble- Struktur treten auch signifikante Variationen in den Geschwindigkeitsbeträgen auf. Die Daten sind in Abbildung 3.

Zudem sind in der Abbildung die ensemble-gemittelten Verläufe eingezeichnet blaue Linien. Hierbei ist zu beachten, dass die Abbildungen unterschiedlich skaliert sind. Die Werte der individuellen Motorzyklen bestätigen die signifikanten Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen der Brennraumströmung. So streut die kinetische Energie Abbildung 3.

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Zudem verfügt der Motor über jeweils zwei Ein- und Auslassventile. Der Betrieb des Motors kann geschleppt oder gefeuert erfolgen. In beiden Fällen wird die Drehzahl durch einen Vierquadrantenantrieb reguliert. Kühlwasser und Motoröl werden durch externe Geräte auf 6 C vorgeheizt. Zudem kann der Kraftstoff in das beheizbare Saugrohr eingespritzt werden.

Hierzu wird ebenfalls ein Hochdruckeinspritzventil verwendet, welches ca. Aufgrund der langen Aufbereitungszeit bis zum Brennraum kann hierdurch eine sehr homogene Gemischverteilung realisiert werden.

Dieses Einspritzsystem ist jedoch nicht mit konventionellen Saugrohreinspritzungen vergleichbar, da bei diesen das Einspritzventil wesentlich näher an den Einlassventilen liegt und der Einspritzdruck deutlich geringer ist.

Der Referenzkraftstoff bietet den Vorteil, dass seine physikalischen Eigenschaften z. Siedeverlauf in vergleichsweise engen Grenzen spezifiziert sind. Bild des verwendeten Transparentmotors [43]. Hierfür steht ein Zündkerzenschacht zur Verfügung, welcher zwischen den Auslassventilen positioniert ist.

Im Rahmen dieser Arbeit wird meist ein passiv gütegeschalteter Nd: Das Saugrohr ist als Zwillingssaugrohr ausgelegt und durch horizontale Leitbleche getrennt.

Wird der linke Ansaugkanal verschlossen, so wird eine Drall-Strömung erzeugt. Um eine Abgasrückführung zu simulieren, kann ein beliebiges Verhältnis zwischen Luft, Stickstoff und Kohlendioxid eingestellt werden. Der Wasserdampfanteil im Abgas wird hierbei nicht berücksichtigt. Blick durch optischen Zugang im Kolben [43].

Der Motor verfügt über vier optische Zugänge zum Brennraum. Die Höhe des einsehbaren Bereichs beträgt 27 mm. Zudem sind an der Vorder- und Rückseite des Motors zwei Giebelfenster eingesetzt, durch welche das Brennraumdach eingesehen werden kann.

Der einsehbare Bereich ist hierbei aus konstruktiven Gründen auf einen Durchmesser von 64, 5 mm beschränkt. Damit die Kolbenringe während des Motorbetriebes nicht über den Glaszylinder laufen, sind diese im unteren Bereich des Kolbens angebracht. Der Einfluss des hierdurch entstandenen Totvolumens zwischen Kolben und Zylinder wurde in [43] untersucht.

Als Ergebnis wurde eine Nachverbrennung des Gemisches aus dem Feuersteg beobachtet. Zudem wurde insgesamt ein geringerer Anteil des Kraftstoffs umgesetzt. Dies resultiert in einem niedrigeren Wirkungsgrad und erhöhten Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Hierbei wird insbesondere untersucht, inwieweit Fluktuationen im Luft-Kraftstoff- Verhältnis am Zündort die Ursache für die zyklischen Schwankungen im Verbrennungsprozess sind. Bei diesem Verfahren wird ein gepulster Laser auf ein Messvolumen fokussiert. Liegt die Laserintensität über einem bestimmten Schwellwert, wird ein laserinduziertes Plasma erzeugt.

Innerhalb des Plasmas befindet sich ein Gemisch von freien Elektronen und angeregten Atomen und Ionen. Während das Plasma abkühlt, gehen die Atome und Ionen auf ein geringeres Energieniveau über und emittieren Licht einer charakteristischen Wellenlänge. Durch spektroskopische Analyse der Plasmaemission können somit Aussagen über die Zusammensetzung der Probe gemacht werden.

Je nach Auswerteverfahren ist teilweise sogar eine quantitative Analyse möglich. LIBS wurde auch in der Verbrennungsdiagnostik bereits eingesetzt [44,45]. So haben Ferioli et al. Dies wurde von Phouc et al. Hierbei wird das Plasma einer konventionellen Zündkerze spektroskopisch analysiert. Der Sensor zeichnet sich hierbei durch einen kompakten und robusten Aufbau aus. Alternativ können auch geeignete Komponenten des Kraftstoffs z.

Aromaten direkt angeregt werden. Durch Detektion der Fluoreszenz kann die Verteilung des Kraftstoffs visualisiert werden. Das Ramansignal ist jedoch üblicherweise relativ schwach und weist ein geringes Signal- Rausch-Verhältnis auf. OH-Radikal, [51] oder zur Temperaturbestimmung eingesetzt werden [52,53]. Im vorliegenden Kapitel wird in Abschnitt 2. Hierbei werden zunächst die Grundlagen der Laserzündung und laserinduzierten Plasmaspektroskopie erläutert. Analyse des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses 2.

Allgemein kann die Laserzündung in vier Kategorien aufgeteilt werden [38, 55]: Thermische Laserzündung Photochemische Laserzündung Resonante Durchbruchzündung Nicht-resonante Durchbruchzündung Bei der thermischen Zündung wird die Translations-, Rotations- oder Vibrationsenergie von Molekülen mithilfe intensiver Laserstrahlung erhöht.

Hierdurch wird die bestrahlte Region erhitzt, bis letztendlich molekulare Bindungen aufbrechen und chemische Reaktionen starten. Der Zündverzug ist bei der thermischen Zündung vergleichsweise lang und liegt im Bereich von bis zu Millisekunden [56]. Das Laserlicht kann als Punktquelle oder als Strahl durch das Verbrennungsgemisch zur Zündung eingesetzt werden.

Allerdings ist es in Gasen schwierig, ein kleines punktförmiges Zündvolumen ausreichend stark zu erhitzen [55]. Eine Möglichkeit ist es, dem Gemisch kleine Partikel z. Aluminium [57] zuzugeben, die effizient erhitzt werden können. Zudem kann die thermische Zündung zur Entflammung von Feststoffen z. Raketentriebwerken verwendet werden, da diese infrarote Strahlung wesentlich besser absorbieren.

Bei der photochemischen Zündung werden spezifische Moleküle durch Absorption einzelner Photonen in reaktive Radikale dissoziiert. Da zur Zündung lediglich Laserpulsenergien unter einem Millijoule benötigt werden, finden weder Multiphotonenionisation noch ein optischer Durchbruch statt [58 6].

Zudem ist die direkte Aufheizung des Gemisches durch den Laserpuls sehr gering. Bei der photochemischen Zündung muss die Anregungswellenlänge des Lasers an die Absorptionswellenlänge des Moleküls angepasst werden. Dies schränkt die Auswahl an kompakten und preisgünstigen Lasern für die ottomotorische Anwendung stark ein.

Bei der resonanten Durchbruchzündung wird mithilfe eines fokussierten Laserpulses ein optischer Durchbruch und somit ein Plasma erzeugt. Zunächst werden durch nicht-resonante Multiphotonendissoziation einige Moleküle des Gasgemisches dissoziiert. Dieses setzt sich als Elektronenlawine bis zur Bildung eines Plasmas fort.

Der Prozess der resonanten Durchbruchzündung konnte bisher für Wasserstoff und Deuterium nachgewiesen werden [61 63]. Zur Realisierung der resonanten Photoionisation muss die Laserwellenlänge ebenfalls an die entsprechenden Atome angepasst werden.

Typischerweise liegen auch hier die Wellenlängen im UV-Bereich, was die motorische Anwendung stark einschränkt. Die nicht-resonante Durchbruchzündung ist der meist verbreitete Laserzündprozess für motorische Anwendungen. Im Gegensatz zur resonanten Durchbruchzündung erfolgt die Multiphotonenionisation auf nicht resonantem Weg. Folglich wird keine spezifische Anregungswellenlänge benötigt. Werden die Laserpulse ausreichend stark fokussiert und überschreitet die Laserintensität einen Schwellwert von ca.

Die freien Elektronen innerhalb des Plasmas können über verschiedene Mechanismen gebildet werden. Zum einen können durch Multiphotonenionisation freie Elektronen erzeugt werden. Auch sind erste freie Elektronen aufgrund verschiedener physikalischer Prozesse z.

Höhenstrahlung in der Umgebungsluft vorhanden. Dieser Prozess setzt sich als Elektronenlawine bis zur vollständigen Ionisierung des Gases fort. Es treten allerdings auch Mechanismen auf, welche die Anzahl der freien Elektronen reduzieren. Der Anstieg der Elektronendichte N e kann durch folgende Gleichung beschrieben werden [38]: Aufgrund der hohen Elektronendichte absorbiert das Plasma den restlichen einfallenden Laserpuls, wodurch weitere Energie zugeführt wird. Aufgrund der hohen Temperatur sind die Moleküle innerhalb des Plasmas vollständig dissoziiert und es liegt ein Gemisch von freien Elektronen und angeregten Atomen und Ionen vor.

Wird keine weitere Energie mehr durch den Laserpuls eingebracht, beginnt das Plasma abzukühlen. Hierbei finden erste chemische Reaktionen statt und ein Flammkern entsteht. Das Plasma wird im Transparentmotor a ohne und b mit Kraftstoff aufgenommen. Zur Erzeugung des Plasmas wird ein aktiv gütegeschalteter Nd: Die ns-laserpulse werden mithilfe einer 8 mm-linse durch das vordere Giebelfenster in den Brennraum fokussiert.

Die Aufnahme des Plasmas erfolgt mit einer speziellen Hochgeschwindigkeitskamera Hadland Imacon durch das Kolbenfenster. Die Kamera basiert auf acht individuellen CCD Chips, die jeweils mit einem Bildverstärker ausgestattet sind und unabhängig voneinander angesteuert werden können.

Die Belichtungszeit und Verstärkung der einzelnen Chips werden so angepasst, dass die Bilder eine gute Signalintensität aufweisen. Zudem ist in der Abbildung jeweils die Zeitdifferenz zum Beginn des Laserpulses, der aus linker Richtung eingestrahlt wird, angegeben. Zeitliche Entwicklung eines laserinduzierten Plasmas a: Es ist jeweils die Entwicklung eines individuellen Plasmas dargestellt. Die charakteristische Torusform kann in dieser Sequenz nicht beobachtet werden, da sie durch den Flammkern überlagert wird.

Diese ist in Abbildung 2. Die Belichtungszeit wird in Abhängigkeit vom Aufnahmezeitpunkt eingestellt und beträgt a: Zur besseren Lesbarkeit sind die Spektren auf ihren Maximalwert I max normiert, der ebenfalls in der Abbildung angegeben ist. Auch ist ersichtlich, dass sich die Charakteristik der spektralen Verteilung währenddessen signifikant verändert. Das Strahlungskontinuum entsteht aufgrund von Brems- und Rekombinationsstrahlung der Plasmaelektronen und weist ein Maximum im UV zwischen 3 45 nm auf.

Nach 5 ns Abbildung 2. Der atomare Wasserstoff entsteht hauptsächlich durch die Dissoziation von Kraftstoffmolekülen. Die atomaren Linen sind zu diesem Zeitpunkt nahezu vollständig verschwunden. Es treten nun erste molekulare Emissionslinen im Spektrum auf. So ist die Linie des CN-Radikals, das durch Rekombination von atomarem Kohlenstoff und Stickstoff gebildet wird, bei nm zu erkennen. Zur Bestimmung des 2.

Spektrale Verteilung der Plasmaemission a: Die Verteilungen sind jeweils auf die maximale Intensität I max [bel. Üblicherweise wird das Verhältnis zwischen zwei Emissionslinien gebildet. Eine Line repräsentiert hierbei den Kraftstoff und die andere die Luft. Zur Bestimmung der Luft stehen ebenfalls verschiedene atomare Linien zur Verfügung.

Daher wurde im Rahmen einer Masterarbeit ein faseroptischer Sensor realisiert [2]. Die Emissionslinien werden hierbei mittels optischer Filter und Photomultiplier detektiert. Der Sensor ist zweiteilig ausgelegt und besteht aus einer Fasereinkopplung und einer Detektionseinheit, die über eine Glasfaser verbunden sind.

Die Fasereinkopplung wird vor dem hinteren Giebelfenster des Transparentmotors positioniert. Zur Einkopplung der Plasmaemission wird eine 1"-Plankonvexlinse mit 3 mm Brennweite verwendet. Der Durchmesser der Linse ist hierbei ein guter Kompromiss zwischen einem kleinen Aufbau Um die Glasfaser vor hoher optischer Leistung zu schützen, befindet sich vor der Linse eine optische Eingangsfilterung.

Daher wird sowohl das intensive Strahlungskontinuum im UV als auch Laserstrahlung bei nm durch die Filter absorbiert. In der Detektionseinheit wird das Licht aus der Glasfaser ausgekoppelt und mittels einer asphärischen Linse 2 mm Brennweite parallelisiert. Der reflektierte Anteil enthält die Wasserstoff- Linie und wird daher als Kraftstoff-Signal bezeichnet. Der transmittierte Anteil enthält verschiedene Linien von atomarem Stickstoff und Sauerstoff und wird im Folgenden Luft-Signal genannt.

Zur Detektion der Luft wird die atomare Sauerstoff-Linie bei nm benutzt. Hierzu wird das Luft-Signal entsprechend mit einem Bandpassfilter Thorlabs FB mit einer Zentralwellenlänge von 78 nm und einer Halbwertsbreite von 1 nm gefiltert. Aufgrund der verwendeten Spektralfilter werden in beiden Signalen keine weiteren Emissionslinien transmittiert. Um Streulicht zu reduzieren, ist zusätzlich vor den Photomultipliern eine Irisblende angebracht.

Das Lasersystem ist hierbei so kompakt ausgelegt, dass es im Zündkerzenschacht montiert werden kann. Der Laser emittiert ns-pulse mit einer Pulsenergie von ca. Die Laserpulse werden mittels einer 15 mm-linse fokussiert und propagieren durch ein Eintrittsfenster in den Brennraum.

Der Laserfokus liegt 6 mm hinter dem Eintrittsfenster und hat einen Durchmesser von ca. Um dieses zu bestimmen, wird der Kraftstoff in das 8 cm lange, beheizte Saugrohr eingespritzt. Aufgrund der langen Aufbereitungszeit bis zum Brennraum wird hierdurch ein sehr homogenes Gemisch im Brennraum erzeugt. Der Ursprung der x-achse kennzeichnet den Zeitpunkt des optischen Durchbruchs. Die Daten werden bei homogenem stöchiometrischem Gemisch aufgezeichnet und über 5 Arbeitsspiele gemittelt.

Kurz nach dem optischen Durchbruch ist ein sprungartiger Anstieg in beiden Signalen zu erkennen. Die Verstärkung der Photomultiplier wurde hierbei so angepasst, dass beide Verläufe die gleichen Maximalwerte annehmen. Zeitlicher Verlauf der Photomultiplier-Signale. Der Ursprung der x-achse markiert den Zeitpunkt des optischen Durchbruchs. Analyse des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses 7. Eine Ausgleichgerade an die Daten ist schwarz gestrichelt eingezeichnet.

Spektroskopische Voruntersuchungen haben hierbei gezeigt, dass ab ca. Zudem ist in der Abbildung eine Ausgleichsgerade an die Daten schwarz gestrichelt eingezeichnet. Der Kraftstoff wird wie zuvor in das Saugrohr eingespritzt, sodass eine homogene Gemischverteilung entsteht. Die Schwankungen sind hierbei in erster Linie auf Fluktuationen in der Laserenergie zurückzuführen. Es ist zu beachten, dass die Ausgleichsgerade den Koordinatenursprung nicht schneidet.

Dies ist durch den geringen Anteil der Kontinuumsstrahlung im Signal zu erklären. Diese Verschiebung kann jedoch leicht bei der Verhältnisbildung berücksichtigt werden. Die Standardabweichung der Intensitätsverhältnisse ist als Fehlerbalken aufgetragen. Die Datenpunkte sind über 1 Arbeitsspiele gemittelt und die Standardabweichung ist als Fehlerbalken aufgetragen. Zudem ist eine Ausgleichsgerade schwarz eingezeichnet und der entsprechende Fehlerbereich schwarz gestrichelt dargestellt.

Der Fehler setzt sich hierbei aus der Standardabweichung des Intensitätsverhältnisses und dem Steigungsfehler der Ausgleichsgeraden zusammen. Daher verändert sich die Kalibrierung für verschiedene Brennraumgeometrien, Saugrohrdrücke und Zündwinkel. Um dieses zu berücksichtigen, wird für jeden untersuchten Betriebspunkt eine separate Kalibriergerade aufgezeichnet. Hierbei werden der Zündwinkel und der Saugrohrdruck konstant gehalten und lediglich die eingespritzte Kraftstoffmenge variiert.

Jeder Datenpunkt stellt einen individuellen Motorzyklus dar. Der eingezeichnete Fehlerbalken ergibt sich aus dem Fehlerbereich der Kalibriergeraden siehe Abbildung 2.

Dies bestätigt die Annahme einer homogenen Gemischverteilung aufgrund des langen Saugrohrs, wie es für die Kalibrierung von Bedeutung ist. Der Kraftstoff wird in den Ansaugtakt bei 33 KW v. Dies entspricht einem typischen Einspritzzeitpunkt für den homogenen Motorbetrieb.

Der Einspritzdruck beträgt 5 bar und liegt somit bei einem relativ niedrigen Druckniveau. Auch hier werden ein Mehrlochventil und ein Einspritzdruck von 5 bar verwendet.

Dies bestätigt, dass die Einspritzung in den Kompressionstakt für homogenen Motorbetrieb nicht relevant ist. Analyse des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses 2 a b c 1. Einspritzung in das Saugrohr, b: Direkteinspritzung bei 33 KW v. Direkteinspritzung bei 9 KW v. Der Kraftstoff wird mittels Direkteinspritzung bei 33 KW v. Aufgrund des mageren Gemisches verlangsamt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme. Um diesen Effekt zu kompensieren, wird der Zündzeitpunkt auf 29 KW v.

ZOT nach früh verschoben. Zudem ist in Abbildung 2. Die Brenndauer wird aus der Differenz der entsprechenden Umsatzpunkte berechnet. Für Zyklen in denen ein Zündaussetzer auftritt wird keine Brenndauer bestimmt. Blaue Kreise repräsentieren individuelle Arbeitsspiele. In a ist eine Ausgleichsgerade schwarz gestrichelt eingezeichnet. Der geringere Zusammenhang im Vergleich zu Abbildung 2.

Zusammenfassend ist die geringe bis fehlende Korrelation in Abbildung 2. Des Weiteren wird untersucht, ob ein mageres Gemisch am Zündort eine potenzielle Ursache von Zündaussetzern ist. Jeder Datenpunkt repräsentiert einen individuellen Motorzyklus, wobei der Betriebspunkt identisch zur vorherigen Messung gewählt wurde. Daher treten Zyklen mit unvollständiger Verbrennung und Zündaussetzern auf. Die elektronischen Energiezustände sind hierbei in Vibrationsniveaus unterteilt, welche wiederum in mehrere Rotationsniveaus aufgespalten sind.

Nach einer gewissen Lebensdauer relaxiert das Molekül zurück in einen niedrigeren Energiezustand. Dieses kann auf verschiedene Arten stattfinden. Zum einen durch spontane Emission eines Photons, was die gewünschte Fluoreszenz darstellt. Hierbei treten entsprechend der Franck-Condon-Faktoren Übergänge in verschiedene Rotations- oder Vibrationsniveaus des elektronischen Grundzustandes auf.

Zudem finden insbesondere bei komplexen organischen Molekülen wie Aromaten im Rahmen dieser Arbeit während der Verweilzeit im elektronisch angeregten Zustand zusätzliche strahlunglose Rotations- oder Vibrationsenergietransfers RET, VET in geringere Energieniveaus statt.

Aufgrund dieser Prozesse ist das Fluoreszenzsignal zu geringeren Frequenzen verschoben Rotverschiebung. Darüber hinaus kann das Molekül über strahlungslose Vorgänge den angeregten Zustand verlassen. So kann das Molekül prädissoziieren und die Anregungsenergie in Translationsenergie der Fragmente übergehen.

Hierbei wird ein Teil der Anregungsenergie an das Sauerstoff-Molekül übertragen, welches vom Triplett- Grundzustand in den angeregten Singulett-Zustand übergeht [9]. Der erste Term beschreibt die Absorption der Photonen, welche proportional zur Anzahldichte der anregbaren Moleküle ist. Zudem beschreibt der Einstein B i k Koeffizient die Absorptionsfähigkeit des anzuregenden Übergangs i k.

Der zweite Term von Gleichung 2. Diese gibt den Anteil der spontanen Emission in den gewünschten Grundzustand gegenüber den gesamten Zerfallsmechanismen an. Die Rate der spontanen Emission wird dabei über den entsprechenden Einstein A ki Koeffizienten beschrieben. Isooktan verwendet und diesen spezielle Fluoreszenztracer hinzugefügt. Die beiden am meisten verbreiteten Tracerklassen sind aliphatische nicht aromatische Ketone und aromatische Kohlenwasserstoffe. Häufig genutzte Ketone sind Aceton und 3-Pentanon Diethylketon [9].

Die Eigenschaften der Ketone wurden bereits in mehreren Arbeiten experimentell untersucht [69, 7]. Aufgrund der hohen Dichte der Energiezustände absorbieren Ketone breitbandig im Bereich zwischen 22 nm und 33 nm. Daher können sie relativ einfach mit verschiedenen Lasersystemen z. Die Fluoreszenz der Ketone weist eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Diese Eigenschaft kann im Gegenzug zur Temperaturbestimmung ausgenutzt werden [53].

Ein häufig verwendeter Tracer der aromatischen Kohlenwasserstoffe ist Toluol. Dieses absorbiert ebenfalls im UV 24 28 nm und kann daher gut mithilfe verschiedener Lasersysteme angeregt werden. Die emittierte Fluoreszenz liegt im Spektralbereich nm Anregung bei nm [9].

Auch Toluol zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit und wird daher für Temperaturmessungen verwendet. Diese Technik wurde von Reboux et al. Ist das Quenching durch molekularen Sauerstoff dominant d. In handelsüblichem Benzin sind eine Vielzahl von fluoreszierenden aromatischen Kohlenwasserstoffen vorhanden. Ein vollständige Quantifizierung der fluoreszierenden Moleküle ist allerdings schwierig, da verschiedene Stoffe mit unterschied- Analyse des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses lichen physikalischen Eigenschaften gleichzeitig fluoreszieren [9].

Dennoch ermöglicht die Verwendung von handelsüblichem Benzin vergleichsweise einfach die qualitative Visualisierung der Kraftstoffverteilung. Es wird angenommen, dass Toluol die dominate fluoreszierende Komponente des Kraftstoffs darstellt.

Das Absorptions- und Fluoreszenzspektrum des verwendeten Kraftstoffs wurden in der Masterarbeit von Büchler [2], welche am hier diskutierten Projekt durchgeführt wurde, bestimmt. YAG-Lasers bei nm angeregt werden. Das detektierte Fluoreszenzspektrum ist breitbandig und liegt im Bereich zwischen nm. Hierbei werden die Laserpulse eines passiv gütegeschalteten Nd: Die Anregung der laserinduzierten Fluoreszenz erfolgt durch einen frequenzvervierfachten Nd: Die Laserpulse haben eine Dauer von 5 ns und eine Energie von ca.

Der Lichtschnitt wird über einen 45 -Umlenkspiegel durch das Kolbenfenster in den Brennraum eingekoppelt. Dort besitzt dieser eine Breite von 4 mm und eine Dicke von 1 mm. Zudem wird der Lichtschnitt mittig im Brennraum positioniert, sodass er sich mit dem Laserplasma überlagert.

Als Kraftstoff wird der zuvor beschriebene Referenzkraftstoff verwendet. Die Fluoreszenz der im Kraftstoff enthaltenen Aromaten wird von einer bildverstärkten Kamera LaVision, Nanostar aufgezeichnet, die senkrecht zum Laserlichtschnitt orientiert ist.

Daher werden gestreutes Laserlicht bei nm unterdrückt und Effekte aufgrund von Selbstabsorption vermieden. Die Zeitdifferenz entspricht hierbei der zeitlichen Schwankungsbreite des passiv gütegeschalteten Zündlasers. YAG nm Abbildung 2. Zur besseren Sichtbarkeit der zweidimensionalen Zeichnung ist die Kamera in der Lichtschnittebene eingezeichnet tatsächlich ist sie senkrecht dazu orientiert.

Wie in den vorherigen Messungen wird durch das Laserplasma das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet, sodass alle Aufnahmen zum Zündzeitpunkt erfolgen. Zudem wird die Abnahme der Laserintensität aufgrund von Absorption durch Kraftstoff im Mittel berücksichtigt.

Um Schwankungen in der Laserenergie zu betrachten, wird ein Laserreflex am Brennraumrand detektiert. Hierdurch können Schwankungen der LIF-Intensität, welche aufgrund von Fluktuationen in der Laserenergie verursacht werden, reduziert werden.

Hierzu wird das Zündplasma mit der Kamera aufgezeichnet und die Position mithilfe eines Schwellwertes bestimmt. Zudem wird eine weitere Näherung durchgeführt und eine homogene Temperaturverteilung im Brennraum Rot eingezeichnete Zyklen werden kalibriert, wohingegen grau gekennzeichnete Zyklen nicht kalibriert werden. Eine Ausgleichsgerade ist schwarz gestrichelt eingezeichnet. Dieser Wert wird als Stützstelle für die Kalibrierung verwendet.

In einem weiteren Schritt wird die Steigung der Kalibriergeraden bestimmt. Hierzu wird ein Ensemble von 45 Arbeitsspielen betrachtet. Dieser Sachverhalt ist beispielhaft in Abbildung 2. Jeder Datenpunkt graue und rote Kreise repräsentiert einen individuellen Motorzyklus.

Zudem ist eine Ausgleichsgerade an die Daten schwarz gestrichelt eingezeichnet. Zum einen treten im Brennraum zyklische Schwankungen in der Temperaturverteilung auf.

Wie in Gleichung 2. Da die Gemischbildung ein dynamischer Prozess ist, kann sich das lokale Gemisch zwischen den beiden Aufnahmezeitpunkten leicht verändern. Dieses hat ebenfalls direkten Einfluss auf die Kalibrierung. Der zeitliche Versatz zwischen den Messungen ist allerdings notwendig, da andernfalls das helle Strahlungskontinuum des Plasmas das LIF-Signal überstrahlt. Um diese Unsicherheit zu reduzieren, werden nur Zyklen kalibriert, welche in guter Übereinstimmung mit der Ausgleichsgeraden liegen rot eingezeichnet.

Der Parameter m beschreibt die Steigung der Ausgleichsgeraden. ZOT mittels eines Mehrlochventils. Der Einspritzdruck beträgt 5 bar und liegt somit bei einem vergleichsweise niedrigen Druckniveau.

Im Gegensatz zur Einspritzung in das Saugrohr sind in der Gemischverteilung nun erste Inhomogenitäten zu erkennen. Zu späteren Einspritzzeitpunkten wird, wie erwartet, die Gemischverteilung noch inhomogener. Dieses ist in Abbildung 2. Direkteinspritzung bei 18 KW v. Der Kraftstoff befindet sich hierbei lediglich im oberen rechten Bereich des Brennraums.

Zusammenfassend entsprechen die Ergebnisse der Erwartung. Während bei der Einspritzung in das Saugrohr ein homogenes Gemisch erzeugt wird, treten bei der Direkteinspritzung Inhomogenitäten in der Gemischverteilung auf. Mit späterem Einspitzzeitpunkt nehmen die Inhomogenitäten zu, da das Zeitfenster für die Gemischaufbereitung verkürzt wird. Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff im Kompressionstakt eingespritzt und somit eine Ladungsschichtung zwischen Kraftstoff und Frischluft erzeugt.

Hierbei muss reproduzierbar sichergestellt werden, dass zum Zündzeitpunkt zündfähiges Gemisch am Zündort vorliegt. Hieraus können Verbesserungen in Bezug auf die Auslegung des Einspritzventils oder die Position des Zündortes abgeleitet werden. Im Folgenden werden zwei Einspritzventile ein Mehrlochventil und ein rotationssymmetrisches Ringspaltventil betrachtet.

Zudem wird die Position des Zündplasmas variiert. Neben dem bisherigen 6 mm Abstand zum Austrittsfenster des Zündlasers wird auch ein tieferer Zündort mit 11 mm Abstand untersucht. Es ist zu beachten, dass diese Betriebsparameter keinen typischen Schichtbetrieb darstellen.

Normalerweise wird im Schichtbetrieb der Motor entdrosselt d. Die verwendeten Motorparameter beeinflussen jedoch nicht das prinzipielle Problem der räumlichen Zuordnung zwischen Kraftstoff und Zündort. Aufgrund des angedrosselten Motorbetriebes verschlechtert sich allerdings die Laufruhe deutlich. Um dieses zu kompensieren, wird mehr Kraftstoff hinzugefügt und der Motor bei stöchiometrischem Gemisch betrieben.

Der Einspritzzeitpunkt liegt zwischen KW v. ZOT und wird jeweils so eingestellt, dass der bestmögliche Motorlauf d. In allen Aufnahmen ist zunächst die Ladungsschichtung deutlich zu erkennen. Die Einspritzung beginnt bei 25 KW v. Auch sind die verschiedenen Strahlkeulen des Kraftstoffsprays zu erkennen. Der Winkel zwischen den Strahlkeulen ist allerdings relativ klein, sodass sich die Kraftstoffwolke rechts Mehrlochventil mit 6 mm bzw.

Ringspaltventil mit 6 mm bzw. Somit ist offensichtlich, dass die Zuordnung zwischen Kraftstoff und Zündort ungenügend ist. Ich will wissen, was du geil findest, ruf mich einfach an Ich bin Reni, bin 22 und möchte geile Sachen mit fremden Kerlen machen! Alles auch bei dir zuhause. Rufst du mich an? Internationale Girls erwarten Dich im wöchentlichen Wechsel.

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