Laserspektroskopische Analyse von selbstzündenden motorischen Einspritzstrahlen alternativer Biokraftstoffe

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Von:

Thomas Michael Raffius

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Eine wichtige Einflussgröße bei der Entstehung von Schadstoffen in der Verbrennung ist die Temperatur. Jedoch fehlen quantitative ortsaufgelöste Messungen der Temperatur und Spezies in brennenden Dieselstrahlen, insbesondere im Inneren der Verbrennung. Durch Lichtdämpfung und störende Lichtemissionen sind dabei optische Untersuchungen nicht möglich. Diese Faktoren werden jedoch bei nicht-rußenden dieselartigen Jets reduziert, wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt, da das Licht nicht durch Ruß abgeschwächt wird und störende LIF (laserinduzierte Fluoreszenz) von PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) wesentlich geringer ist. Die Arbeit teilt sich in drei Bereiche auf. Zuerst wird die Methodik anhand eines nahezu rußfreien Kraftstoffs evaluiert. Um die Messtechnik in Situationen mit stärkerer Rußbildung näher zu prüfen wird der im ECN (Engine Combustion Network) verwendete Kraftstoffen-Heptan verwendet. Zu guter Letzt werden Kraftstoffe des Exzellenzclusters TMFB (Tailor-Made Fuels from Biomass) untersucht (Di-n-butylether (DNBE) und n-Octanol und ein Blend daraus), die nach früheren Motorstudien geringe Rußneigung bei der dieselähnlichen Verbrennung zeigen. Dieser Befund ist für reines DNBE nicht vollständig verstanden, da dieser eine sehr hohe Cetanzahl aufweist (etwa 100). Die aktuellen Ergebnisse zeigen, dass die Thermometrie mit SRS (spontane Raman-Streuung), die von einem UV-Laser (ultraviolett) angeregt wird, auch im Kern eines nicht rußenden dieselartigen Strahls in einer Druckkammer möglich ist. Es werden zwei diagnostische Ansätze bewertet. Die erste basiert auf der spektralen Bandenform der Stokes (rot verschoben) SRS von N2, während das Verhältnis von integrierten Stokes zu anti-Stokes (blau verschoben) N2-SRS im zweiten ausgenutzt wird. Die Daten des zweiten Verfahrens sind aus [1, 2] entnommen. Es stellt sich heraus, dass die erste Methode vorteilhaft ist in Bezug auf die Lichtdämpfung durch molekulare Spezies, den Einfluss störender Emissionen und die daraus resultierende Einzelschussfähigkeit. Darüber hinaus ermöglichen die aufgezeichneten Spektren im Strahlkern, dass zusätzliche quantitative Speziesmessungen mit SRS möglich sind. So wird beispielsweise der Molenbruch von CO in dieser Arbeit erstmals im Strahlkern quantiziert.