The theory and application of optical diagnostic techniques in the combustion chamber of a Diesel engine

Die Weiterentwicklung moderner Dieselbrennverfahren hinsichtlich Abgasemissionen und der gleichzeitigen Beibehaltung guter Wirkungsgrade erfordert weitere Kenntnisse über die zugrunde liegenden Prozesse, die im Brennraum ablaufen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Umsetzung ausgewählter optischer Messtechniken in einem neuen, optisch zugänglichen Heavy Duty Dieselmotor und die Analyse der am Prüfstand gewonnenen Ergebnisse vor dem Hintergrund des heutigen Wissenstands. Der Schwerpunkt dabei liegt auf der Rußbildung bzw. auf der Rußoxidation. In Kapitel 1 wird eine kurze Einleitung in das Thema gegeben. Kapitel 2 befasst sich mit den Grundlagen der Dieselmotorischen Verbrennung, den für Dieselmotoren relevanten Schadstoffbildungsprozessen und dem Stand der Technik im Bereich Dieselmotoren der Heavy Duty Klasse. In Kapitel 3 wird zuerst der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte optisch zugängliche Dieselmotor kurz beschrieben, so wie der Motorprüfstand. Danach werden die zum Einsatz kommenden Messtechniken beschrieben, sowie deren Umsetzung im Prüfstand. Als erstes wird elastische Lichtstreuung nach der Mie-Theorie erläutert. Auf die laserinduzierten Inkandeszenz (LII) wird eingegangen, da diese ein Bestandteil der RAYLIX-Messtechnik ist. In dieser Arbeit kommt die RAYLIX-Technik, die aus planarer Rayleigh-Streuung, planarer LII und Extinktion besteht, zum ersten Mal im Brennraum eines Dieselmotors zum Einsatz. Die mit dieser Messtechnik gewonnenen Ergebnisse ermöglichen räumlich aufgelöste und quantitative Aussagen über die Rußpartikeln, die während der Verbrennung entstehen. Eine Kombination aus neu entwickelter Hardware und Software wird erläutert, die mittels der Zwei-Farben-Methode eine räumlich und zeitlich aufgelöste Bestimmung von Flammentemperaturen und KL-Werten im Brennraum des Motors ermöglicht. Abschließend wird eine Technik zur Abbildung von OH-Chemilumineszenz vorgestellt, wobei ein neuer Lösungsansatz in Form eines lichtstarken optischen Zugangs zum Einsatz kommt, der verglichen mit häufig verwendeten UV-Endoskopen deutlich verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung bietet. Kapitel 4 befasst sich mit der Bewertung der entwickelten Messtechniken und den Ergebnissen, die am Prüfstand gemessen wurden. Die Zwei Farben Methode erweist sich als gut geeignet, räumlich und zeitlich aufgelöste Informationen über den Verbrennungsablauf zu erschließen, vor allem in der späten Phase der Verbrennung. Der Betrieb mit einer Makroemulsion aus Dieselkraftstoff, Ethanol und Wasser (E10W10) wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, insbesondere mithilfe der RAYLIX-Messtechnik. Durch den Einsatz von dieser und anderen optischen Methoden werden Einblicke in die Änderungen der Teilprozesse gegeben, die zu einer drastischen Reduktion der Rußemissionen führen. Eine Zusammenfassung und ein kurzer Ausblick in Kapitel 5 runden die Arbeit ab.