Simultane Visualisierung von Öl- und Kraftstoffschichten in der Kolbengruppe eines direkteinspritzenden Ottomotors durch laserinduzierte Fluoreszenz
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Öl- und Kraftstoffschichten in der Kolbengruppe eines optisch zugänglichen Ottomotors mit Benzin-Direkteinspritzung durch das Verfahren der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) untersucht. Zur Optimierung der Kolbengruppe hinsichtlich Reibung, Verschleiß, NVH (Noise, Vibration, Harshness) und Emissionen müssen die komplexen Wechselwirkungen zwischen Öl, Kraftstoff und Brennraumgas analysiert, sowie quantitative Daten für Simulationsmodelle bereitgestellt werden.
Die Untersuchung der Phänomene in der Kolbengruppe erfolgten in einem optisch zugänglichen Einzylindermotor mit auf Druck- und Gegendruckseite seitlich in die Zylinderwand eingesetzten Saphirfenstern. Die optischen Zugänge ermöglichen die Abbildung der Kolbengruppe über nahezu den vollständigen Kolbenhub. In dieser Arbeit wurden Untersuchungen bei Lasten bis 8,5 bar (effektiver indizierter Mitteldruck) und Drehzahlen bis 2200 min-1 durchgeführt. Durch die hohe Zylindrizität und die Oberflächentopographie mit der für Zylinderlaufbahnen typischen Honstruktur wurden realitätsnahe Bedingungen hinsichtlich des Ringanlageverhaltens und der Oberflächenbenetzung gewährleistet.
Zur Analyse des Ölhaushalts in der Kolbengruppe und der Kolbensekundärbewegung kam ein phasengekoppeltes LIF-Messsystem mit einer maximalen Wiederholrate von 100 Hz am Einzylindermotor zum Einsatz. Eine Mischung aus kommerziellem Motoröl mit 0,015±0,005 mmol/L Pyrromethen 567 wurde mit einem Nd:YAG-Laser bei 532 nm angeregt und das rotverschobene Fluoreszenzlicht mit jeweils einer CMOS-Kamera auf Druck- und Gegendruckseite zweidimensional abgebildet. Voruntersuchungen in einer Dünnfilmküvette und ein umfangreicher Bildverarbeitungsprozess mit einer in situ Kalibrierung ermöglichten die zweidimensionale Quantifizierung der Ölfilmdicke im Kontaktbereich Kolbenhemd/Zylinderlaufbahn, sowie die qualitative Analyse der Kolbensekundärbewegung und des globalen Ölhaushalts in der Kolbengruppe. Die Untersuchungen zeigten, dass Kolbensekundärbewegung und Ölfilmdicke im Kontaktbereich Kolbenhemd/Zylinderlaufbahn voneinander abhängen. Die niedrigste Ölfilmdicke trat im Expansionstakt auf und betrug 3,0 µm. Außerdem konnte ein Zusammenhang zwischen Kraftstoff-Wandbenetzung und Ölhaushalt in der Kolbengruppe gezeigt werden.
Um neben Ölschichten auch Kraftstoffschichten zeitlich hochaufgelöst zu visualisieren, wurde im zweiten Abschnitt der Arbeit ein Messsystem zur simultanen, kurbel-winkelaufgelösten Visualisierung von Kraftstoff und Öl durch LIF entwickelt. Der Öl-Farbstoff Pyrromethen 567 wurde aus dem phasengekoppelten LIF-Messsystem übernommen und ein geeigneter Kraftstoff-Tracer gesucht. Die Mischungen Kraftstoff/Tracer und Öl/Farbstoff wurden mit einem Nd:YAG-Laser mit einer maximalen Repetitionsrate von 10 kHz bei 266 nm und 532 nm angeregt. Das Fluoreszenzlicht der beiden Fluide wurde spektral getrennt und von zwei Hochgeschwindigkeits-Kameras zweidimensional abgebildet. Zwei Kraftstoff/Tracer-Mischungen wurden im Einzylinderaggregat und in einer Dünnfilmküvette untersucht: Toluol in iso-Oktan und Anisol in einem neu entwickelten Multikomponenten-Kraftstoff mit hoher Oktanzahl (ROZ = 101) und einer Siedelinie entsprechend der eines kommerziellen Kraftstoffs. Die zweite Kombination wurde aufgrund des realitätsnahen Verdampfungsverhaltens und der stärkeren Fluoreszenz für die Motorexperimente ausgewählt. Durch tribologische und optische Voruntersuchungen konnte außerdem ein Surrogat-Öl identifiziert werden, das kommerziellem Öl aufgrund geringerer optischer Wechselwirkungen mit Kraftstoff-LIF für die optischen Motorexperimente überlegen ist. Im Einzylinderaggregat wurden mit diesem System Kraftstoff-Wandbenetzung, Kraftstofftransport durch das Ringpaket, sowie der Einfluss der Kraftstoff-Wandfilmbildung auf den Ölhaushalt in der Kolbengruppe im befeuerten und geschleppten Motorbetrieb visualisiert und analysiert. Im befeuerten Motorbetrieb mit Benzin-Direkteinspritzung wurde das Auftreffen des Kraftstoffsprays und die Bildung eines Flüssigkeitsfilms auf der Zylinderwand visualisiert. Unter den untersuchten Bedingungen verblieb ein flüssiger Wandfilm aufgrund unvollständiger Verdampfung auf der Zylinderwand. Der Kraftstoff wurde durch die Kolbenringe teilweise von der Zylinderwand abgekratzt und durch die Ringstöße transportiert. Außerdem wurde durch flüssigen Kraftstoff auf den Kolben-Ringstegen Öl aus der Top-Ring-Nut auf den Feuersteg und den 2. Ringsteg transportiert.
This thesis presents the analysis of liquid fuel and oil films in the piston group of a direct-injection spark-ignition (DISI) engine by laser-induced fluorescence (LIF). To optimise the piston group in terms of friction, wear, NVH (noise, vibration, harshness) and emissions, the interaction between oil, fuel and combustion gas must be understood. Also, quantitative data is required to improve simulation models.
The investigation of the phenomena in the piston group was performed in an optically accessible single cylinder research engine with two honed-in sapphire windows that provide optical access to the cylinder on the thrust and on the anti-thrust side. This enables the observation of the piston including ring area and skirt as well as the cylinder surface. Here, the maximum speed of the engine was 2200 min-1 at a maximum indicated mean effective pressure of 8.5 bar. Due to the high cylindricity of the research engine, the sealing function of the piston rings is very similar to that in a production engine. Also, the honing structure in the cylinder surface provides realistic conditions in terms of surface wetting.
To investigate the oil distribution in the piston group as well as the piston’s secondary motion, a phase-locked LIF-imaging system with a maximum image acquisition rate of 100 Hz was used in the research engine. First-fill engine oil was doped with traces of the laser dye pyrromethene 567, which fluoresces red after excitation by 532 nm laser radiation. The fluorescence from oil was simultaneously detected by two cameras, one on the thrust side and one on the anti-thrust side. Preliminary studies were performed in a thin-film cuvette and an image processing routine including an in-situ calibration was developed. This enabled quantification of the oil film thickness in the tribological contact between the piston skirt and the cylinder liner. Also, the piston’s secondary motion and the global oil distribution in the piston group were investigated. One main finding was that that the piston’s secondary motion correlates with the oil film thickness in the contact area between piston skirt and cylinder liner. The minimal oil film thickness in this tribological contact was found during the expansion stroke and was 3.0 µm. Also, a correlation between fuel impingement on the cylinder wall and the oil distribution in the piston group was shown.
To obtain a higher temporal resolution and to simultaneously visualise fuel films, a LIF system for simultaneous kHz-rate LIF-imaging of fuel and oil films was developed in the second part of this work. Again, engine oil was doped with traces of the laser dye pyrromethene 567 and excited at 532 nm. Simultaneously, the liquid fuel was visualised by UV fluorescence of an aromatic “tracer” in a non-fluorescent surrogate fuel excited at 266 nm. Two combinations of fuel and tracer were investigated, iso-octane and toluene, as well as a multi-component surrogate and anisole. The multi-component surrogate fuel had an evaporation curve similar to that of commercial pump fuel and a high research octane number (RON = 101). Anisole added to the multi-component surrogate fuel provided a higher fluorescence intensity than toluene and was therefore used for engine experiments. Since the first-fill engine oil provided significant cross-talk in the fuel channel, a low-additive surrogate oil was examined for optical and tribological characteristics. The surrogate oil exhibited similar tribological characteristics and it was superior to the commercial oil in terms of cross-talk with fuel LIF. The surrogate oil was therefore used for engine experiments. Experiments were performed in the research engine in fired and motored engine operation. Besides fuel wall wetting, fuel transport across the piston ring pack and the impact on the lubricant conditions in the piston group can be seen in the images. With direct fuel injection fuel wall wetting and film formation on the cylinder wall was detected. In the conditions examined here, a liquid fuel film remained on the cylinder wall due to incomplete evaporation. Some fuel was scraped off the cylinder wall by the piston rings and transported through the ring gaps. Furthermore, the presence of liquid fuel on the piston lands initiated oil transport from out of the top ring groove onto the first and second piston lands.