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Main Title: Laser-Spectroscopic Investigations of Nitric Oxide Formation in a Transparent Spark Ignited Engine with Direct Injection
Translated Title: Laserspektroskopische Untersuchungen zur Stickoxid - Bildung an einem optisch zugänglichen Viertakt - Ottomotor mit Direkteinspritzung
Author(s): Fissenewert, Udo
Advisor(s): Pucher, Helmut
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die räumliche und zeitliche Stickoxidbildung wurde in einem optisch zugänglichen, direkteinspritzendem Ottomotor mit strahlgeführtem Brennverfahren untersucht. Dazu wurde eine Kombination von Laser-induzierter Fluoreszenz, UV-Chemilumineszenz und zyklusaufgelöster NO-Abgasanalyse eingesetzt. Zunächst ist ein passender experimenteller Aufbau, bestehend aus einem Transparentmotor und der notwendigen Instrumentierung, entwickelt worden. Dazu musste ein Einzylinder-Motor mit optischem Zugang entworfen und aufgebaut werden. Schlüsseleigenschaften sind das nach Vorgaben von der FEV gefertigte Kurbelgehäuse mit vollständigem Massenausgleich, ein verlängerter „Bowditch“- Kolben mit auswechselbarem Oberteil, ein Zylinderkopf mit Fenstern in den flachen Seiten des dachförmigen Brennraumes und ein Quarz-Zylinderrohr, das den vollen Hub abdeckt. Das strahlgeführte Brennverfahren erfordert eine Kolbenmulde. Da ein erheblicher Teil der Verbrennung in der Mulde stattfindet, war es nötig, diese zusätzlich zum Fenster im Kolbenboden mit seitlichen Fenstern zu versehen. Der optische Motor war die Voraussetzung, um optische Diagnose-Methoden zur Untersuchung des strahlgeführten Brennverfahrens anwenden zu können. Zyklusaufgelöste, simultane Messungen der OH-Chemilumineszenz und der NO-Konzentration mit Hilfe der Laser-induzierten Fluoreszenz, und schneller NO-Abgasanalyse ermöglichten eine ausführliche Darstellung des Stickoxid –Bildungsprozesses in diesem Motor. Die Haupt-Fehlerquellen sind die Absorption von Laser- und Signallicht durch CO2 und H2O und Fluoreszenzlöschung aufgrund der Abhängigkeit von den nicht bekannten Werten von lokaler Abgas-Temperatur und –Zusammensetzung. Die NO-Bildung bei früher und später Einspritzung (homogen und geschichtet) wurde verglichen. Starke räumliche Präferenzen und zyklische Schwankungen der NO-Bildung wurden abhängig vom Betriebsmodus des Motors beobachtet. Während die absolute Höhe der NO-Konzentration im Abgas im geschichteten Betrieb wesentlich niedriger ist, sind die zyklischen Schwankungen deutlich höher als im homogenen, stöchiometrischen Betrieb. Der Einfluss der Einlaßlufttemperatur und der simulierten Abgasrückführung wurde untersucht. Insgesamt wurde festgestellt, dass zyklusaufgelöste Daten erforderlich 10 sind, um die Unterschiede zu erklären, die zwischen den Betriebsbedingungen gefunden wurden, da die ausgeprägte Schichtung des Kraftstoffs zu großen räumlichen Gradienten der NO-Konzentration führt. Gemittelte NO-Verteilungen im Zylinder reflektieren den Bildungsprozess nur unzureichend, sondern zeigen eine geglättete Verteilung, die den gemittelten Chemilumineszenz-Daten zufolge sogar intuitiv widerspricht. Der starke Einfluß der ausgeprägten Kraftstoffschichtung wird auch von der zeitlichen Entwicklung der NO-Konzentrationen im Zylinder reflektiert. Räumlich gemittelte Höchstkonzentrationen können 2700 ppm für den Betriebspunkt mit 90 °C Einlass- Lufttemperatur ohne EGR erreichen. Im Vergleich dazu werden ungefähr 300 ppm im Abgas gemessen. Dieses Verhältnis ist für Ottomotoren hoch. Zieht man jedoch die starke Ladungsschichtung des strahlgeführten Brennverfahrens in Betracht, dann sind die Beobachtungen plausibel und werden durch die gemessenen hohen lokalen Konzentrationen untermauert.
The spatial and temporal formation of nitric oxide in an optical engine operated with isooctane fuel under spray-guided direct-injection conditions was studied with a combination of laser-induced fluorescence imaging, UV-chemiluminescence, and cycle resolved NO exhaust gas analysis. Initially an appropriate experimental apparatus had to be developed consisting of an optically accessible engine and necessary instrumentation. Therefore a single cylinder engine with optical access was designed and built. Key features are the custom made fully balanced crankcase made by FEV, a Bowditch-style elongated piston with interchangeable crown, a cylinder head with windows in the flat sides of the pentroof, and a quartz cylinder liner covering the full stroke. The spray guided combustion system required a dished piston. A significant part of the combustion takes place in the piston bowl thus making it necessary to implement side windows in addition to the window in the piston top. The optical engine was the precondition for the application of optical diagnostics methods for investigations of a spray-guided direct injection combustion system. Cycleresolved simultaneous measurements of OH-chemiluminescence, NO laser inducedfluorescence, and fast NO exhaust gas sampling allowed a detailed view of the formation process of NO in this engine. A detailed analysis of uncertainties of the NO-LIF measurements was conducted and their impact on the accuracy of the results quantified. The major contributors are absorption of laser and signal light by H2O and CO2 and signal quenching due to its dependence on the unknown local burned gas – temperature and – composition. NO formation during early and late (homogeneous vs. stratified) injection conditions were compared. Strong spatial preferences and cyclic variations in the NO formation were observed depending on engine operating conditions. While engine-out NO levels are substantially lower for stratified engine operation, cyclic variations of NO formation are substantially higher than for homogeneous, stoichiometric operation. The influence of variations in intake air temperature and simulated exhaust gas recirculation was examined. Overall, it was found that cycle-resolved information is needed to explain the differences found between operating conditions, since the initial high stratification of fuel leads to large spatial gradients in the NO concentration. Averaged in-cylinder NO distributions do not adequately reflect the formation process rather than show a smoothed distribution that may even be counter-intuitive based on averaged chemiluminescence data. The strong impact of the high level of fuel stratification is also reflected in the temporal evolution of the in-cylinder NO concentrations. Spatially averaged peak concentrations can reach 2700 ppm for engine operation with 90 °C intake air temperature and no EGR. This compares to approximately 300 ppm as measured in the exhaust gas. This ratio is high for sparkignition engines. However, given the high level of fuel stratification in this spray-guided engine, the observations are plausible and are supported by the measured high local concentrations of NO.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-10826
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1478
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1181
Exam Date: 19-Aug-2005
Issue Date: 31-Aug-2005
Date Available: 31-Aug-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Direkteinspritzung
Laserinduzierte Fluoreszenz
Stickoxid
Transparentmotor
Gasoline direct injection
Laser-induced fluorescence
Nitric oxide
Optical engine
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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