Untersuchungen zur räumlichen Flammenausbreitung in Verbrennungsmotoren durch stereoskopische Erfassung der Verbrennungsstrahlung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Motorenentwicklung wurden In der Vergangenheit für die Optimierung von Brennverfahren neben Simulationsrechungen in den meisten Fällen messtechnische Methoden zur Quantifizierung des Zylinderdruckverlaufs sowie der Abgasemissionen eingesetzt. Aus diesen Messdaten lassen sich wichtige thermodynamische Kenngrößen sowie Abgasemissionswerte ermitteln. Diese Größen stellen allerdings nur global für den gesamten Zylinderinhalt geltende Variablen dar, die für ein detaillierteres Verständnis der räumlich ablaufenden Prozesse oftmals nicht ausreichen. Auf Grund der stark gestiegenen Anforderungen an die Verbrennungsführung und der zunehmenden Komplexität der Gemischbildung bei modernen Verbrennungsmotoren werden in jüngster Zeit daher vermehrt optische Messverfahren eingesetzt, um die räumliche Charakteristik der innermotorisch ablaufenden Phänomene zu visualisieren. Hierbei Ist allerdings zu beachten, dass das räumliche Ausbreitungsverhalten von Flammen in Verbrennungsmotoren sich in aller Regel nicht rein zweidimensional beschreiben lässt. Die meisten optischen Messverfahren zur Verbrennungsanalyse im Motor sind diesbezüglich auf Grund der fehlenden räumlichen Informationen in ihrer Aussagekraft über den dreidimensionalen Charakter der Flammenausbreitung stark eingeschränkt. Planare Messtechniken, wie z.B. die laserinduzierte Fluoreszenz, können daher immer nur eine Teilinformation über die tatsächlich ablaufende, räumliche Verbrennung liefern. Dem gegenüber stehen integral messende Techniken (z.B. Schlierenfotografie, direkte Visualisierung via ICCD-Kamera), bei denen es allerdings auf Grund der zweidimensionalen Projektion der Flammenstrahlung auf den Bildsensor der Kamera zu einem Verlust der Tiefeninformation kommt. In der ersten Projektphase wurden drei lichtleiterbasierte Photomultiplierkameras zu einem schnell detektierenden SD-Visualisierungssystem zusammen geschaltet, um die gleichzeitige optische Aufzeichnung des Verbrennungsgeschehens aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen zu realisieren. Zu diesem Zweck wurde ein bestehendes Einzylinder-Forschungsaggregat entsprechend umkonstruiert und mit drei Endoskopzugängen ausgestattet. Über jeweils ein Lichtleiterendoskop wurden verschiedene zeitsynchrone Messungen des Verbrennungsablaufs durchgeführt. Durch Auswertung der einzelnen, aus verschiedenen Richtungen gemessenen Verbrennungsbilder konnten erstmals virtuelle 3p-Modelle der jeweils zugrunde liegenden Flammenausbreitung rekonstruiert werden. Die Entwicklung der Auswertungsmethodik sowie die programmiertechnische Umsetzung des Rekonstruktionskonzeptes waren die Aufgabenschwerpunkte der ersten Projektphase. Ausgangsbasis für die dreidimensionale Berechnung der Flammenhülle sowie deren räumliche Darstellung sind zunächst die zweidimensional aufgenommenen Flammenbilder. Diese werden nach einer Schwellenwertanalyse binarisiert, um anschließend die Konturen der Flammenbilder zu extrahieren sowie diskrete Konturpunkte auf der Flammensilhouette zu ermitteln. Mit Hilfe der Kameraparameter (Positionskoordinaten, Ausrichtung und Brennweite der Endoskopoptik) kann ausgehend von den Brennpunkten der Endoskope für jede Perspektive jeweils eine so genannte Sichtpyramide erzeugt werden, indem die zweidimensionale Flammenkontur an den Konturpunkten in einen virtuell generierten, dreidimensionalen Brennraum zurück projiziert wird, dessen Maße denen des realen Motors entsprechen. Es wurden verschiedene Parametervariationen für den Motorbetrieb durchgeführt, die eine Beeinflussung der Flammenausbreitung hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit und Vorzugsrichtung erwarten ließen. Auf diese Weise sollte die Anwendbarkeit und der Nutzengewinn durch die räumliche Erfassung des Verbrennungsgeschehens bewertet werden. Das Luft-Kraftstoffverhältnis wurde im Rahmen der Zündgrenzen variiert. Die höchsten Ausbreitungsgeschwindigkeiten wurden erwartungsgemäß bei leicht fetten Luft-Kraftstoffverhältnissen um A, «= 0,85 detektiert. Die Rekonstruktion der dynamischen Flammenausbreitung zeigte eine deutliche Vorzugsrichtung beim untersuchten Versuchsträger. Durch die Verwendung von Leitblechen in den Einlasskanälen konnte mit Hilfe einer variablen Einlassströmung die Vorzugsrichtung der Verbrennung angepasst werden. Die Berechnung und Darstellung der rekonstruierten Verbrennungsszenen findet In einer virtuellen Umgebung statt. Der signifikante Unterschied zur dreidimensionalen Darstellung von Verbrennungsabläufen mit kommerziellen Simulationsprogrammen liegt darin begründet, dass den Berechnungen mit der neu entwickelten Rekonstruktionsmethodik unmittelbar experimentell ermittelte Messdaten aus befeuerten Verbrennungsmotoren zugrunde liegen. Daraus ergibt sich zum einen der Vorteil, dass die rekonstruierten Verbrennungsabläufe nicht rein auf theoretischen Betrachtungen basieren, sondern vielmehr die real ablaufenden Prozesse dreidimensional wiedergegeben werden. Die entwickelte Rekonstruktionsmethodik Ist nicht zwangsläufig an ein bestimmtes messtechnisches Verfahren gekoppelt. Somit ist die Möglichkeit gegeben, verschiedene bildgebende Aufnahmeverfahren zur Bereitstellung der Rohdaten für die Rekonstruktion einzusetzen. In diesem Projekt kamen sehr spezielle Photomultipliertube-Kamerasysteme (PMT) zum Einsatz, die den Anforderungen hinsichtlich einer hohen Sensitivität Im ultravioletten Wellenlängenbereich sowie einer hohen zeitlichen Messdynamik genügen. Die beschriebenen Systeme wurden speziell für Forschungszwecke und für den Einsatz an Verbrennungsmotoren angefertigt und stellen somit Unikate dar. Eine Serienfertigung erscheint auf Grund der hohen Fertigungskosten nicht sinnvoll. Angesichts der Tatsache, dass die Technologien von digitalen Kamerasystemen In den letzten Jahren rasche Fortschritte erlebt haben und in Zukunft weiterhin einen hohen Innovationsgrad erwarten lassen, sollte der Einsatz kommerziell erhältlicher Messsysteme geprüft werden. Die Softwarestruktur des Auswerteprogramms muss in diesem Fall neu überarbeitet werden, da sämtliche Daten- Einleseroutinen auf das spezielle Datenformat der PMT-Kameras angepasst wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Han K.-M., Sauter W., Spicher U. "3D-Visualisierung der ottomotorischen Verbrennung: Praxisbeispiele zu Flammenausbreltung, Verbrennungsanomalien und kontrollierter Selbstzündung", 8. Internationales Symposium für Verbrennungsdiagnosfik, Baden-Baden, 10.-11.06.2008
- Han K.-M.,VeljiA., Spicher U. "A new approach for three-dimensional high-speed combustion diagnostics In internal combustion engines", Powertrain & Fluid Systems Conference and Exhibition, Toronto Canada. 16.-19.10.2006. Journal of Engines
- Han K.-M.,VeljiA., Spicher U. "Charakterisierung der räumlichen Flammenausbreltung in einem Ottomotor mit Benzin- Direkteinspritzung durch den kombinierten Einsatz von lichfleiterbasierten Visualisierungssystemen und 3D-Rekonstruktlonsverfahren", 7. Internationales Symposium für Verbrennungsdiagnosfik, Baden-Baden, 18.-19.05.2006
- Han K.-M.,VeljlA., Spicher U. "3D-Llchfleitermesstechnik zur räumlichen Flammenanalyse in Verbrennungsmotoren", Motortechnische Zeltschrift MTZ 04/2007
- Han K.-M.. Sauter W., Spicher U. "Three-dimensional visualisation of auto-ignition processes in spark-ignition engines - practical examples of abnormal combustion and HCCI auto-lgnltlon", 7'^ COMODIA International Conference on Modeling and Diagnostics for Advanced Engine Systems, Sapporo Japan, 28.-31.07.2008
- Han K.-M.. Spicher U. "Dreidimensionale Flammendetektion als neues Werkzeug für die Brennverfahrens-entwicklung", 5. Tagung Opfisches Indizieren, Haus der Technik, München, 24.10.2006
- Kubach H., Pfeil J., Han K.-M.. Spicher U. "Optica! measurement techniques for combustion analysis". 3"^ International Automotive Workshop Direct Injection for Gasoline Engines, Spa Belgium, 14.- 15.06.2007
