Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Klopfzentren im Endgas eines Zweitakt-Ottomotors mittels zweidimensionaler laserinduzierter Fluoreszenz von Formaldehyd

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird mit Hilfe eines zeitlich und örtlich hochauflösenden laserspektroskopischen Verfahrens die zeitliche Entwicklung exothermer Zentren im Endgas eines Ottomotors näher untersucht. Dazu wird an einem Einzylinder-2-Takt-Motor, der einen optisch komplett zugänglichen Brennraum besitzt, das Verfahren der zweidimensionalen laseriduzierten Fluoreszenz (2D-LIF) appliziert. Zur Unterscheidung verbrannter und unverbrannter Bereiche dient Formaldehyd als Nachweisstoff. In Voruntersuchungen wird die Druck- und Temperaturabhängigkeit der Formaldehydfluoreszenz in synthetischer Luft untersucht. Dabei können Drücke bis 14 bar und Temperaturen bis 410 K realisiert werden. Aus dem klopfenden Motor wird ein Emissionsspektrum von Formaldehyd aufgenommen und einem aus einer Testzelle sowie einem 'Referenz'-Spektrum aus der Literatur gegenübergestellt; die aus dem Motor aufgenommene Fluoreszenz stammt von Formaldehyd. Zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung exothermer Zentren wird eine Doppelpulstechnik angewendet. Die Laserpulse werden mit einem zeitlichen Versatz von 50 bis 10 µs getriggert, so daß an Hand der beiden Aufnahmen aus einem Verbrennungszyklus Flammengeschwindigkeiten ermittelt werden können. In leicht bis sehr stark klopfenden Zyklen werden durch den heftigen Umsatz des Gemisches Druckgradienten zwischen 39 und 99 bar/ms ermittelt, und es treten Spitzendrücke bis 69 bar auf. Die Auswertung der 2D-LIF Aufnahmen zeigt, daß die reguläre Flammenfront von den reagierenden exothermen Zentren mit Geschwindigkeiten zwischen 90 und 260 m/s zurückgedrängt wird. Die Expansionsgeschwindigkeiten der exothermen Zentren liegen zwischen 30 und 940 m/s. Die Mehrzahl der Aufnahmen mit mittlerem Klopfen zeigt begradigte reguläre Flammenfronten. Der auf turbulente Ausbreitung zurückzuführende gefaltete Flammencharakter fehlt dann in weiten Bereichen.

In the present paper the temporal evaluation of exothermic centres in the endgas of an SI-engine is investigated by employing a temporally and spacially highly resolving la-serspectroscopic technique. For that purpose a two-dimensional laser-induced fluorescence technique is applied to a single-cylinder two-stroke engine with an optically fully accessible combustion chamber. In order to distinguish between burnt and unburnt regions formaldehyde servs as a tracer. In preliminary investigations both pressure and temperature dependencies of formaldehyde fluorescence are studied in synthetic air. Pressures up to 14 bar and temperatures up to 410 K could be realized. An emission spectrum of formaldehyde is surveyed from the knocking engine and compared with a spectrum surveyed in a test cell and a 'reference' spectrum taken from the literature; the engine spectrum springs from formaldehyde. In order to investigate the temporal evolution of exothermic centres a double-puls technique is applied. The laser pulses are triggered with delays from 50 to 10 µs inbetween them. Therewith, flame speeds are evaluated. Due to the rapid consumption of the mixture, in moderate to heavy knocking cycles, pressure gradients from 39 to 99 bar/ms are evaluated, and there occurred peak pressures up to 69 bar. Evaluating the 2D-LIF images shows the regular flame front being pushed back with velocities between 90 and 260 m/s due to the reacting exothermic centres. Expansion speeds of the exothermic centres themselves lie between 30 and 940 m/s. The majority of the images taken under medium knocking conditions show straightened regular flame fronts. The wrinkled character of the flame front, evolving from turbulent spread, is missing in vast regions.