Ignition Diagnostics based on Spark-Induced Breakdown Spectroscopy for Gas-Engine Applications
Creators: name: Merotto, Laura
name: Kammermann, Thomas
name: Bleiner, Davide
name: Soltic, Patrik
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018

description: Ottomotoren unterliegen zyklischen Variationen im Verbrennungsprozess. Ein vertieftes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, welche diese zyklischen Schwankungen antreiben, ist fundamental in Bezug auf die Optimierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch. Der Ort des Flammenkerns und dessen Wachstumsrate sind wichtige Faktoren, welche die Amplitude und den Zeitpunkt des maximalen Zylinderdrucks beeinflussen. Die Entwicklungsgeschwindigkeit des anfänglichen Flammenkerns wird wiederum hauptsächlich durch die lokale Brennstoffkonzentration und -homogenität in der Nähe der Funkenstrecke und die lokalen Strömungsbedingungen, wie turbulente Struktur und Größe, beeinflusst. Gegenwärtig werden Motoren für magere Gemische und für direkteinspritzende Verbrennungskonzepte entwickelt, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und die, im Vergleich zu Benzin und Diesel, geringeren CO2-Emissionen zu nutzen. Die höhere Klopffestigkeit von Methan erlaubt es, das Kompressionsverhältnis zu erhöhen. Dies führt jedoch auch zu erschwerten Bedingungen um eine Verbrennung erfolgreich einzuleiten, insbesondere im Mager- und Schichtladungsbetrieb sowie bei hohen Abgasrückführraten. All diese Faktoren erhöhen die Anforderungen an das Zündsystem und an die Steuerung des Gemischbildungsprozesses. Ein Diagnosewerkzeug zum Bereitstellen von Informationen über die Gemischzusammensetzung an der Zündkerze während des Zündzeitpunkts ist sehr wertvoll. Funkeninduzierte Plasmaspektroskopie ist eine Technik, bei der das durch Funkenbildung zwischen zwei Elektroden gebildete Plasma als Anregungsquelle für die optische Emissionsspektroskopie verwendet wird. Die Lichtemission der durch das Plasma angeregten Spezies hängt vom lokalen Gemisch ab und kann daher als ein Diagnosewerkzeug verwendet werden, um während des Zündversuchs Informationen über örtliche Bedingungen um die Zündkerze zu liefern. In Ottomotoren kann diese Methodik mit minimalen Motormodifikationen in der Brennkammer eingesetzt werden und ist daher eine vielversprechende Alternative zu anderen Untersuchungstechniken wie laserinduzierte Plasmaspektroskopie, bei welcher ein Laser in den Brennraum gekoppelt werden muss.In dieser Arbeit wurden verschiedene ruhende Gemischzusammensetzungen bei Umgebungstemperatur und erhöhten Druckbedingungen in einer Konstantvolumenzelle untersucht. Ein Spektrometer und eine intensivierte Kamera wurden verwendet um die Plasmaemission der elektrischen Entladung zu erfassen, um eine SIBS-basierte Messtechnik für die Untersuchung von Zündereignissen zu entwickeln. Die Rolle von Methan, Luft und Wasserstoff auf die elektrischen Entladungseigenschaften und die Plasmaemissionen wurden untersucht. Darüber hinaus wurden atomare und molekulare Spektralemissionen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und für verschiedene Gemische analysiert und verglichen, um ein besseres Verständnis der Spektren der komplexen physikalischen und chemischen Phänomene zu erlangen, die dem Zündvorgang zugrunde liegen. Die Ergebnisse zeigen, dass die erarbeitete Methodik ein kompaktes und vielseitiges Werkzeug für Anwendungen ist, bei denen atomare und molekulare Spezies unter verschiedenen Umgebungsbedingungen detektiert werden.