Characterisation of organic fuel tracers for laser-based quantitative diagnostics of fuel concentration, temperature, and equivalence ratio in practical combustion processes
In der vorliegenden Dissertation wurden die Gasphasen-Fluoreszenzeigenschaften von häufig verwendeten Tracer-Molekülen für Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) als Funktion von Temperatur, Druck und Stoßgaszusammensetzung untersucht. Diese Daten sind unerlässlich für quantitative LIF-Messungen zur Untersuchung von Gasphasen-Mischungsprozessen, beispielsweise in Verbrennungsmotoren. Dazu wurde eine Hochdruck-Hochtemperatur-Zelle aufgebaut für Experimente im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1400 K bei Drücken von 1–10 bar und variabler Stoßgaszusammensetzung. Diese Messbedingungen sind von höchster Wichtigkeit für Diagnostik in Verbrennungsmotoren und Gasmischprozessen.
In dieser Arbeit wurden Fluoreszenzlebensdauern und -spektren der häufig verwendeten Tracer-Spezies Toluol und Naphthalin als Vertreter der aromatischen Tracer im Bereich 296–1200 K bei Drücken von 1–10 bar für N2, Luft und CO2 als Stoßgas untersucht. Eine systematische Untersuchung der Stoßlöschung (Quenching) der Fluoreszenz von aromatischen Tracern durch O2 vervollständigt das Bild. Bisher eher selten als Tracer eingesetzt, ist Anisol eine verheißungsvolle Alternative, die in typischen Systemen ein bis zu 100fach stärkeres Signal als Toluol liefern kann. Daher wurden von Anisol Fluoreszenzspektren und -lebensdauern bei Temperaturen von 296–1000 K bei 1–10 bar in N2 und der Stoßlösch-Einfluss von O2 bei 1 bar Gesamtdruck untersucht. Für die häufig verwendeten ketonischen Tracer Aceton und 3-Pentanon wurden Fluoreszenz-Lebensdauern in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt. Für alle hier untersuchten aromatischen Tracer wurden vorhandene (Toluol) phänomenologische Modelle erweitert bzw. neue entwickelt (Naphthalin, Anisol).
Durch die hohen erreichbaren Temperaturen in der Messzelle konnten an den unter-suchten Tracern Messungen zu deren Pyrolyseverhalten durchgeführt werden. Neben dem erwarteten Verschwinden des Fluoreszenzsignals der ursprünglichen Tracer konnten fluoreszierende Pyrolyse-Produkte beobachtet werden. Diese in-situ gebildeten Spezies eröffnen möglicherweise neue diagnostische Möglichkeiten.
Die untersuchten aromatischen Tracer wurden zu Demonstrationsmessungen in einem Experiment mit einer Kraftstoff-Einspritzdüse eingesetzt. Eine Diskussion über die Anwendbarkeit der jeweiligen Tracer-Substanz in Bezug auf das zu erreichendes Signal-Rausch-Verhältnis und die Signalintensität pro Molekül rundet diese Arbeit ab.
In the present work the fluorescence properties of commonly used fluorescence tracers for laser-induced fluorescence (LIF) applications in the gas phase are investigated as a function of temperature, pressure, and bath gas composition. Such data provide valuable information for quantitative LIF diagnostics in practical systems like gas flows, e.g., in internal combustion (IC) engines. For this purpose a high-pressure high-temperature cell was built to reach temperatures from room temperature up to 1400 K and pressures ranging from 1 to 10 bar for varying bath gas compositions. This range of conditions is of utmost importance for in-cylinder IC engine diagnostics as well as gas flow mixing.
In this thesis fluorescence lifetimes and spectra of toluene and naphthalene were re-corded experimentally. These species are typical representatives of aromatic tracers. In the experiment, temperature ranged from 296–1200 K and pressure from 1 to 10 bar with varying buffer gases of N2, air, and CO2. A novel aromatic species, so far not investigated in detail as a tracer substance, is anisole. It is a promising alternative delivering up to 100 times stronger signals compared to toluene under otherwise identical conditions (i.e., temperature, pressure, bath gas composition). Thus, anisole fluorescence spectra and lifetimes were recorded in the 296–1000 K range with pressure ranging from 1–10 bar in N2 as bath gas. Systematic investigations of collisional quenching by O2 for all three mentioned aromatics complete the study. The temperature dependence of the fluorescence lifetimes of acetone and 3-pentanone as representatives of the ketone tracer group were investigated. For all investigated aromatic tracers existing (toluene) phe-nomenological fluorescence models were expanded or new ones developed (naphthalene, anisole).
Due to the high achievable temperatures in the measurement cell, investigations of the pyrolysis of the used tracer species were also performed. In addition to the expected loss of the tracer signal fluorescing spectra originating from pyrolysis products were observed. These in-situ formed species may lead to new diagnostics strategies.
For demonstration purposes the investigated aromatic tracers were used in a LIF imaging experiment in a housed fuel injector. The performance of the respective tracer species with respect to the achievable signal-to-noise ratios and signal intensity per molecule is discussed.
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