Die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Prüfzyklen zur Bestimmung der Emissionen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden zunehmend dynamischer und berücksichtigen mittlerweile auch den praktischen Fahrbetrieb (Real Driving Emissions). Folglich ergeben sich gesteigerte Anforderungen an die entsprechende Abgasmesstechnik. In dieser Arbeit wird ein neuartiges in-situ-Sensorsystem zur Messung gasförmiger Abgaskomponenten beschrieben, basierend auf Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser (TDLAS). Die Methode ist hoch-selektiv und erfasst ausgewählte Linien im Infrarotspektrum der betrachteten Molekülspezies. Das entwickelte Sensorsystem wurde ausgelegt auf die Messung von Wasserdampf (H2O), Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), deren spektrale Übergänge bei Wellenlängen zwischen 1,4 und 5,2 µm angeregt werden. Zusätzlich zur jeweiligen Konzentration wird über das H2O-Spektrum auch die Gastemperatur gemessen. Das System ist vollständig fasergekoppelt und kann über eine Klemmflanschverbindung im Abgastrakt installiert werden. Das in-situ-Messprinzip, kombiniert mit der schnellen Durchstimmbarkeit der Diodenlaser, erlaubt die zeitliche Auflösung einzelner Motorzyklen, was anhand von Messungen an einem Einzylinder-Forschungsmotor demonstriert werden konnte. An einem Mehrzylinder-Serienmotor wurde der entwickelte Sensor mit einer konventionellen Abgasmessanlage verglichen, wobei unter instationären Betriebsbedingungen deutliche Abweichungen festgestellt wurden. Perspektivisch kann der Sensor demnach sowohl bei dynamischen Emissionsmessungen als auch zur Untersuchung von Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen eingesetzt werden.
Aktualisiert: 2022-04-23
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In vielen technischen Anwendungen wie Verbrennungsmotoren oder Gasturbinenbrennkammern findet eine Interaktion zwischen Flamme und Brennraumwänden statt. In diesen Bereichen kann es durch einen starken Enthalpieentzug in der Flamme zu einer unvollständigen Verbrennung mit einer erhöhten Schadstoffbildung und verringerter Effizienz kommen. Ein vollständiges Verständnis der dabei ablaufenden Flamme-Wand-Interaktion (FWI) ist bis heute nicht gegeben und somit Gegenstand der aktuellen Forschung.
Im Rahmen dieser Arbeit werden deshalb die der FWI zugrunde liegenden Prozesse untersucht. Dabei kommen zwei generische Brenneraufbauten mit definierten und kontrollierten Randbedingungen zum Einsatz. Diese bilden die beiden Grundformen des senkrechten und parallelen Flammenverlöschens der FWI ab. Zur Untersuchung werden modernste laserdiagnostische Verfahren verwendet und an die speziellen Gegebenheiten von wandnahen reagierenden Strömungen angepasst. Der Fokus liegt dabei auf einer nicht-intrusiven Messung von Strukturen mit kleinsten Zeit- und Längenskalen. Ziel der Arbeit ist es neben dem Erlangen eines tieferen Verständnisses der zugrunde liegenden Prozesse, eine Datenbasis für die Validierung von numerischen Modellen zu schaffen.
Aktualisiert: 2023-03-27
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Gegenstand der Arbeit ist die detaillierte statistische Analyse von stratifizierten und gescherten Flammen. Hierzu wird ein generischer vorgemischter, pilotierter Brenner verwendet, der durch zwei voneinander unabhängige Ringspalte eine Stratifizierung und Scherung der austretenden Brennstoff-Oxidator-Mischungen ermöglicht. Damit die auftretenden Prozesse unbeeinflusst bleiben, werden laserbasierte Methoden zur Untersuchung dieser eingesetzt. Die detaillierte Charakterisierung des Brenners wird zum einen mittels Thermographischer Phosphore durchgeführt, um die Wandtemperaturen zu eruieren. Zur simultanen Bestimmung von Konzentrationen und Temperatur wird die kombinierte Raman-/Rayleigh-Spektroskopie verwendet. Neben der Bestimmung von Mittelwert und Standardabweichung wird mithilfe des crossed planar Rayleigh imagings die Flammenausbreitungsrichtung gemessen. Dies ermöglicht eine Korrektur der errechneten Temperatur und Konzentration entlang der Ausbreitungsrichtung der Flamme. Die Aufnahme besonders hoher Statistiken gibt so einen Einblick in den Effekt der Stratifizierung und Scherung auf das Verhalten der Flammen. Die Ergebnisse der gezeigten Untersuchungen werden als Datenbasis für die Validierung numerischer Simulationen verwendet.
Aktualisiert: 2023-03-27
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Die Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen in turbulenten Strömungsumgebungen spielt in vielen technischen Verbrennungssystemen eine Schlüsselrolle. So wird die Zündung in Diesel- oder HCCI-Motoren durch diese komplexen Prozesse gezielt eingeleitet und dient so millionenfach der individuellen Fortbewegung. Allerdings besitzen Selbstzündungsvorgänge auch als ungewollte Phänomene z. B. als Klopfen in Ottomotoren eine hohe Relevanz. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen in turbulenten Strömungen mit dem Ziel diese raumzeitlich hochdynamischen Prozesse zu beschreiben und so ein tiefgreifendes Verständnis über sie zu erlangen.
Die Durchführung dieser Analysen erfolgt an einem weltweit einmaligen Selbstzündungsprüfstand, dessen Randbedienungen sowie Betriebsparameter in dieser Arbeit detailliert beschrieben sind. Die weiteren Untersuchungen an den auftretenden Flammen zeigen eine Analyse der globalen Flammenstruktur in Abhängigkeit einer breiten Parametervariation sowie umfassende Analysen über die Entstehung und die zeitliche Entwicklung von Selbstzündungskernen im umgebenden Strömungsfeld Mittels kombinativer zeitaufgelöster Laserdiagnostik. Die Ergebnisse aller Untersuchungen bilden in ihrer Gesamtheit ebenfalls die Grundlage einer Validierungsdatenbank für numerische Simulationen von Selbstzündungsprozessen.
Aktualisiert: 2023-03-27
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