forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

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Wissenschaft & Forschung
[2001]
Projekt:
Zur Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse wie zum
Bespiel zur Optimierung moderner Verbrennungsmotoren werden
immer öfter laserbasierte optische Messverfahren eingesetzt.
Ihr Vorteil liegt in der berührungslosen Messung mit
minimalem Einfluss auf den Verbrennungsvorgang. Etablierte
Verfahren zur quantitativen Erfassung von Konzentrations- und
Temperaturverteilungen sind jedoch auf die Signalbeobachtung
und Laserstrahlführung durch ausgedehnte Fenster angewiesen.
Die hierfür notwendigen Veränderungen verbieten
Untersuchungen in der seriennahen Entwicklung. Für diese
Anwendungen sind mikroinvasive Techniken erforderlich. Im
Rahmen dieses Projekts werden deshalb vom Institut für Technische
Optik (ITO) der Universität Stuttgart und dem Physikalisch-Chemischen
Institut (PCI) der Universität Heidelberg neue
diagnostische Lösungen für die innermotorische, lasergestützte
Verbrennungsdiagnostik entwickelt, bei denen der Eingriff in
den Motorblock minimiert wird. Während das ITO über langjährige
Erfahrung in der Entwicklung von Spezialoptiken durch
Kombination refraktiver und diffraktiver Elemente verfügt, ist
ein Schwerpunkt des PCI die Entwicklung und Anwendung von
laseroptischen Verfahren zur Verbrennungsdiagnostik, so dass
sich die Kompetenzen der beiden Projektpartner innerhalb des
Projekts ideal ergänzen.
Eine wichtige Voraussetzung in modernen, mager betriebenen
direkteinspritzenden Motoren ist die Bereitstellung der richtigen
Treibstoff-Luft-Zusammensetzung am Ort der Zündung
zum Zündzeitpunkt. Ziel des Projektes ist es, zur Untersuchung
dieser Aufgabe ein minimalinvasives, auf laserinduzierter
Fluoreszenz basierendes Detektionssystem zu entwickeln, das
Untersuchungen in seriennahen Motoren ermöglicht. Kommerzielles
Benzin enthält viele organische Komponenten, die in
einem breiten spektralen Bereich fluoreszieren. Da die Konzentration
dieser Komponenten stark variiert, verwendet man für
quantitative Messungen nichtfluoreszierende Modelltreibstoffe,
die mit Fluoreszenz-Tracern dotiert sind. Nach ihrer Anregung
mit UV-Licht emittieren diese Moleküle Licht in einem
definierten Spektralbereich. Für Tracer-LIF basierte Messverfah-
Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme
Mikrooptische Systeme für die lasergestützte
minimalinvasive Verbrennungsdiagnostik
Physikalisch-Chemisches Institut (PCI) der Universität Heidelberg
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart
ren ist die Charakterisierung des druck- und temperaturabhängen
Fluoreszenzspektrums entscheidend [1, 2]. In der späteren
Anwendung gibt die Intensität und spektroskopische Analyse
des Fluoreszenzsignals dann Auskunft über Tracerkonzentration,
Druck, Temperatur oder Gaszusammensetzung.
Als Tracer bieten sich hierbei Moleküle an, die auch schon in regulärem
Treibstoff vorhanden sind, sich nicht entmischen und
ähnliche Siedetemperaturen haben wie der Treibstoff. 3-Pentanon
und Toluol sollen hier erwähnt werden, da sie schon oft zur
Messung von Treibstoffkonzentrationen eingesetzt wurden [3].
Toluol eignet sich zudem zur Temperaturmessung [4]. Die spektral
getrennten Fluoreszenzsignale von Toluol und 3-Pentanon
nach Anregung mit dem selben UV-Laser (Abb. 1) ermöglichen
außerdem die Messung von Äquivalenzverhältnissen [5].
Abb. 1: Fluoreszenzspektren
von Toluol und
3-Pentanon nach
Anregung mit einem
UV-Laser (266 nm)
Zur Anwendung der oben genannten Methoden werden
folgende mikrooptische Systeme entwickelt:
1. Ein bildgebendes Verfahren, bei dem Abbildungs- und Laser-
Strahlführungsoptik miniaturisiert werden, so dass sie in
Bohrungen mit Durchmessern von maximal 1 cm eingesetzt
werden können.
2. Ein fasergestütztes System zur Punktmessung in Zündfunkennähe.
Die gesamte Optik ist hierbei in einen Zündkerzenkörper
intgriert und funktioniert somit ganz ohne weitere
Bohrungen im Motorblock. Beide Techniken ermöglichen
erstmals, die zugrundeliegenden diagnostischen Verfahren
in seriennahen Motoren einzusetzen.