Entwicklung der laserinduzierten Phosphoreszenz zur Visualisierung von Temperatur- und Strömungsfeldern in Verbrennungsmotoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lars Zigan
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249077371

Ziel ist die Weiterentwicklung der Zwei-Farben-laserinduzierten Phosphoreszenz für die simultane Visualisierung der Gastemperatur- und Geschwindigkeitsfelder unter motorischen Bedingungen. Die Technik soll eingesetzt werden für die bildgebende Analyse der motorischen Gemischbildung, Zündung und Verbrennung. Die zu entwickelnde Messtechnik kann weiterhin zur Grundlagenforschung und Optimierung auch in vielen Systemen der Energietechnik und der chemischen Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Verwendet werden inerte Phosphorpartikel basierend auf YAG:Dy mit einem temperaturabhängigen Lumineszenzsignal, welche auch für die Geschwindigkeitsbestimmung genutzt werden können. In der ersten Phase des Projekts wurde die Leuchtstärke der Phosphorpartikel durch Co-Dotierung mit den Sensivatoren Erbium (Er) und Praseodym (Pr) zum Teil deutlich gesteigert. Diese verbesserten Leuchtstoffe YAG:Dy:Er und YAG:Dy:Pr sind für Hochtemperaturmessungen über 1000 K geeignet und werden auch in den geplanten motorischen Untersuchungen verwendet. Dennoch sind weitere Modifikationen und Änderungen des Wirtskristalls vorgesehen, um bei sehr hohen Temperaturen die Signalstärke und somit die Messgenauigkeit weiter zu steigern bei einer deutlich kürzeren Leuchtdauer. In der ersten Phase erfolgte der Aufbau einer Strömungszelle und die umfassende Charakterisierung und Kalibrierung der Phosphoreszenz u.a. in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und umgebender Gasphase bis 720 K. Für eine Kalibrierung bei sehr hohen Temperaturen deutlich über 1000 K ist der Aufbau eines neuen Kalibriersystems erforderlich, was das zweite Hauptziel darstellt. Die Konstruktion dieser Hochtemperatur-Kalibrierzelle basiert auf einem Porenbrenner, der einen möglichst großen Temperaturbereich für die geplanten Kalibriermessungen abdeckt.Nach erfolgreicher Optimierung und Kalibrierung soll die Messtechnik in motorischen Anwendungen erprobt werden, was ein drittes Hauptziel des Vorhabens ist. Die Möglichkeit der simultanen Messung von Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern wird speziell zur Untersuchung von Gemischbildung und Zündvorgängen eingesetzt, wofür eine Rapid Compression Machine (RCM) mit Zündvorrichtung zur Verfügung steht. Neben Messungen während des Kompressionstakts zur Auflösung der Temperaturinhomogenitäten und der turbulenten Strömung bei der Gemischbildung werden hier Selbstzündvorgänge nahe des oberen Totpunkts untersucht. Diese werden in heißen Regionen initiiert, in welchen eine reaktive Mischung vorliegt und die Turbulenz nicht zu hoch ist. Weiterhin wird speziell unter ottomotorischen Bedingungen mit Fremdzündung und später Einspritzung der Bereich um die Zündkerze beim Zündvorgang genauer bezüglich Temperaturfeld und Geschwindigkeitsfeld untersucht. Die lokale Verdampfungskühlung und resultierende Temperaturschichtung als auch die sprayinduzierte turbulente Strömung sollen dabei aufgelöst werden und zyklische Schwankungen auf die Entflammbarkeit werden somit herausgearbeitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Stefan Will