Konzeption einer Messsonde zur quantitativen zeitaufgelösten Detektion von CNG im Motor mittels IR-Strahlung

Concept of a measurement probe for quantitative time resolved analysis of CNG in engines via IR-absorption

by Stephan Bauke
Doctoral thesis
Date of Examination:2017-08-03
Date of issue:2017-10-18
Advisor:Dr. Hainer Wackerbarth
Referee:Dr. Hainer Wackerbarth
Referee:Prof. Dr. Dr. Andreas Dillmann
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6528

 

 

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Abstract

English

Rising greenhouse gas emissions caused by the transport sector are one factor that contributes to global warming. Consequently, the EU has decided on new regulations concerning the emissions of automobiles and on the introduction of more realistic test procedures for the admission of new vehicles. The automotive industry now faces the challenge to develop more efficient internal combustion engines. The use of alternative fuels like compressed natural gas is one possible option to reduce the CO$_2$ emissions of combustion engines. To achieve this goal, new measurement techniques, which allow the analysis of mixture formation prior to combustion, are necessary. In this thesis the development of an optical measurement procedure for time resolved quantification of the $\lambda$-value in combustion engines is presented. The procedure is based on the measurement of the broadband transmittance of the $\nu_3$-absorpion line of methane. Based on absorption cross sections taken from the HITRAN database the measured transmittance can be linked to a density via the Beer-Lambert's Law. For this purpose the spectral influences of the measurement system as well as pressure and temperature are taken into account. Utilizing a 2-filter-method, which uses the transmission signals of different parts of the methane spectrum, density and temperature inside the measurement volume can be determined simultaneously. A spark plug probe allows measurements of the $\lambda$-value at the location of the ignition. Additionally, an inlet manifold probe is developed in this thesis, which allows the analysis of the mixture formation at the location of the fuel injection. The measurement system and the newly developed algorithm for the analysis of the measurement data are tested with pressure cell experiments. Remaining differences between measurement and calculation are eliminated using a calibration procedure. Through extensive measurements at a rapid compression machine and two different test engines the performance of the measurement system is evaluated and accuracy and precision are determined. The results show that the measurement system developed in this thesis allows for an accurate, time resolved analysis of mixture formation in gas engines.
Keywords: combustion diagnostics; compressed natural gas; non-dispersive infrared spectroscopy; optical instruments; optical sensing and sensors; mixture formation

German

Steigende Emissionen von Treibhausgasen durch den Transportsektor sind ein Faktor, die den globalen Klimawandel antreiben. Als Konsequenz daraus hat die EU neue Regularien bezüglich der Emissionen von Kraftfahrzeugen und die Einführung realitätsnäherer Testverfahren bei der Zulassungen neuer Fahrzeuge beschlossen. Die Automobilindustrie steht daher vor der Herausforderung effizientere Verbrennungsmotoren zu entwickeln. Die Nutzung alternativer Antriebsstoffe wie Erdgas ist dabei eine Möglichkeit die CO$_2$-Emissionen von Verbrennungsmotoren zu senken. Für die Motorenentwicklung ist der Einsatz neuer Messtechnik notwendig, die die Analyse der Gemischbildung vor der Verbrennung im Motor ermöglicht. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines optischen Messverfahrens zur zeitaufgelösten Quantifizierung des $\lambda$-Wertes in Erdgasmotoren vorgestellt. Das Verfahren basiert auf einer breitbandigen Messung der Transmission im Bereich der $\nu_3$-Bande von Methan. Auf der Grundlage von Absorptionsquerschnitten aus der HITRAN-Datenbank und unter Berücksichtigung der spektralen Einflüsse des Messsystems sowie von Druck und Temperatur im Messvolumen kann die Transmission über das Lambert-Beersche-Gesetz einer Dichte zugeordnet werden. Über eine 2-Filter-Methode, welche die Transmissionssignale unterschiedlicher Bereiche des Methanspektrums miteinander korreliert, wird die gleichzeitige Messung von Dichte und Temperatur im Messvolumen ermöglicht. Neben dem Einsatz einer Zündkerzensonde, durch welche der $\lambda$-Wert am Ort der Zündung gemessen werden kann, erlaubt die Entwicklung einer Saugrohrsonde die Analyse der Gemischbildung am Ort der Kraftstoffeinspritzung. Das Messsystem und der Auswertealgorithmus werden an Druckzellenmessungen getestet und verbleibende Abweichungen zwischen Messung und Berechnung werden durch eine Kalibration eliminiert. Durch ausführliche Messungen in einer Rapid Compression Machine und an zwei Versuchsmotoren wird die Funktion des Messsystems bewertet sowie Genauigkeit und Präzision bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass das in dieser Arbeit entwickelte Messsystem eine präzise, zeitaufgelöste Analyse der Gemischbildung in Gasmotoren ermöglicht.
 
Statistik