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Kurzfassung
Kurzzusammenfassung
Optische Messsysteme zur Gasanalyse bei Verbrennungsmotoren bieten durch die Möglichkeit
einer schnellen berührungsfreien Untersuchung großes Potenzial zur Optimierung des
Verbrennungsprozesses und emissionsreduzierender Verfahren wie beispielsweise der
Abgasrückführung (AGR). Für die Optimierung der AGR wird eine Gasanalyse durch
transportable Spektrometer benötigt, die ohne aufwendige und fehleranfällige Kalibrationen
auskommen. Die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) bietet durch den
Einsatz abstimmbarer Diodenlaser eine probenahme- und kalibrationsfreie In-situ-
Bestimmung absoluter Gasspezieskonzentrationen und Gastemperaturen. Transmissionsschwankungen
und zusätzliche Hintergrundemission können zudem direkt mit dem
gemessenen Signal bestimmt und korrigiert werden.
Durch die ausgezeichneten Voraussetzungen von TDLAS für die innermotorische Gasanalyse
wurden in dieser Arbeit mehrere TDLAS-Spektrometer entwickelt, die eine Bestimmung der
H 2 O-Konzentration und Gastemperatur mit Zeitauflösungen von bis zu 33 s direkt im
Brennraum ermöglichen. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren erfolgte die Bestimmung der
Konzentration und der Temperatur ohne Probenahme und Kalibrierung, rein aus Messgrößen
und spektroskopischen Daten. Dafür wurde ein Teil dieser benötigten spektroskopischen
Daten experimentell bestimmt. Anschließend fand eine Validierung der Leistungsfähigkeit der
Spektrometer sowohl an beheizbaren Hochdruckzellen unter Laborbedingungen als auch
unter Realbedingungen an zwei Einzylinderforschungsmotoren statt. Zum Einsatz kamen drei
unterschiedliche Laser, Distributed Feedback Diodenlaser (DFB-DL) und Vertical-Cavity
Surface-Emitting Laser (VCSEL) bei 1370 nm respektive 1 392 nm. Gleichzeitig wurde eine
ausführliche Untersuchung der Einsetzbarkeit und der Vorteile beider Lasersysteme
durchgeführt.
Bei den Einzylindermotoren und Drehzahlen von 800 –2 000 min −1 konnte eine Kurbelwinkelauflösung
von unter 1° KW in einem untersuchten Temperatur- und Druckbereich von 300 –
1 750 K bzw. 0,05 – 0,8 MPa erreicht werden, so dass eine zeitlich hochaufgelöste
Untersuchung des gesamten Motorzyklus mit Ausnahme der Verbrennung möglich wurde.
H 2 O-Konzentrationen zwischen 500 und 116 000 ppm bei Detektionsgrenzen von 130 ppm zu
Beginn der Kompressionsphase zeigen den großen Dynamikbereich, der mit den Spektrometern
erreicht werden kann. Im Vergleich zu bisherigen Messtechniken können mehrere
hundert direkt aufeinanderfolgende Motorzyklen einzeln untersucht werden, um sowohl
intra- als auch interzyklische Schwankungen der AGR-Rate zu bestimmen.
Des Weiteren gelang der Einsatz an einem BMW-Serienmotor bei Drehzahlen bis 3 600 min −1 .
Zur Nutzung der verfügbaren optischen Zugänge wurde eine faser-optische Schnittstelle
entwickelt, die eine Umlenkung des Laserstrahls direkt im Brennraum erlaubt. Messungen bis
−100° KW in der frühen Phase der Kompression ermöglichten einen Vergleich der H 2 O-
Konzentration mit Ergebnissen aus vorhandenen null- und eindimensionalen Modellen zur
Simulation der AGR-Rate. Durch die signifikanten Abweichungen der Modelle untereinander
verdeutlicht sich die Notwendigkeit einer unabhängigen Messtechnik zum besseren
Verständnis, zur Optimierung und zur Validierung von Simulationsmodellen.
III