Die Art und Weise, wie der Kraftstoff im Verbrennungsraum vor Beginn der Zündung verteilt ist, beeinflusst entscheidend den Zündprozess und die Flammenausbreitung. Gerade in modernen Motoren, bei denen die Mischung gezielt inhomogen ist (Schichtladung), ist eine genaue Kenntnis der Kraftstoffverteilung sowie deren Fluktuation für die Motorenentwicklung von großer Bedeutung. Bei der Verwendung von Multikomponentenkraftstoffen wie z.B. kommerziellem Benzin kann eine Auftrennung der verschiedenen Substzanzklassen während des Verdampfungs- und Mischungsprozesses stattfinden. Neben der lokalen Variation des Kraftstoff/Luftverhältnisses tritt also eine lokale Variation der chemischen Kraftstoffzusammensetzung auf. Diese Auftrennung der einzelnen Kraftstofffraktionen sowie die gesamte Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum wird mit Hilfe der zweidimensional abbildenden Tracer-Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Die Ergebnisse können zur Aufklärung des Einflusses unterschiedlicher Motorgeometrieen und Betriebsbedingungen sowie zur Validierung von Simualtionsrechnungen zur Kraftstoffverdampfung und -mischung eingesetzt werden.

Ein Raman-verschobener KrF Excimer Laser wurde zur Generierung kurzer Lichtpulse bei 276 nm eingesetzt, die zur Anregung der eingesetzten Kraftstofftracer ideal sind. Die spektroskopischen Eigenschaften der unterschiedlichen Kraftstofftracer bezüglich spektraler Verteilung der Fluoreszenz, Druck, Temperatur- und Stoßpartnereinflüssen wurde in einer statischen Hochdruckzelle untersucht (Abb. 1: Emissionsspektrum von ketonischen und aromatischen Tracern). Die Fluoreszenz von ketonischen und aromatischen Tracern tritt in deutlich unterschiedlichen Spektralbereichen auf, so dass eine simultane Detektion der Fluoreszenzsignale nach Anregung mit nur einem Laserpuls möglich ist. Unterschiedliche Paare von Tracern, deren einzelne Komponenten aufgrund ihres Siede- und Mischungsverhaltens verschiedene Siedeklassen des Multikomponentenkraftstoffs repräsentieren. Abbildung 2 zeigt die Verteilung unterschiedlicher Siedeklassen, beobachtet in einem optisch zugänglichen Viertaktmotor mit Saugrohreinspritzung.

Abbildung 2: Momentanaufnahme der Verteilung unterschiedlicher Siedeklassen des Multikomponentenkraftstoffs. Übereinander dargestellte Bilder sind simultan mit einem Tracerpaar aufgenommen und zeigen die inhomogene Verteilung unterschiedlicher Kraftstoffbestandteile während der Gemischbildung (Messung bei 100°KW).

Literatur:
[1] H. Krämer, S. Einecke, C. Schulz, V. Sick, S. R. Nattrass, J. S. Kitching, Simultaneous mapping of the distribution of different fuel volatility classes using tracer LIF and NIR tomography in an IC engine, SAE Fall Fuels&Lubricants Meeting, 1998, paper No. 982467, 1998 SAE Transactions, Vol. 107, Journal of Fuels & Lubricants, pp. 1048-1059.
[2] F. Großmann, P. B. Monkhouse, M. Ridder, V. Sick, J. Wolfrum, Temperature and pressure dependences of the fluorescence of gas-phase acetone and 3-pentanone, Appl. Phys. B 62, 249-253 (1996).

Weitere Literatur zum Einsatz von Tracern in der abbildenden Kraftstoffdiagnostik:

[3] C. Taut, C. Correa, O. Deutschmann, J. Warnatz, S. Einecke, C. Schulz, and J. Wolfrum, "3D-modeling with Monte-Carlo-PDF methods and laser diagnostics of the combustion in a two-stroke engine," Proc. Combust. Inst. 28, 1153-1159 (2000).
[4] J. Kazenwadel, W. Koban, T. Kunzelmann, and C. Schulz, "Fluorescence imaging of natural gas / air mixing without tracers added," Chem. Phys. Lett. 345, 259-264 (2001).
[5] N. Graf, J. Gronki, C. Schulz, T. Baritaud, J. Cherel, P. Duret, and J. Lavy, "In-cylinder combustion visualization in an auto-igniting gasoline engine using fuel tracer- and formaldehyde-LIF imaging," SAE Technical Paper Series 2001-01-1924 (2001).
[6] T. Fuyuto, H. Kronemayer, B. Lewerich, W. Koban, K. Akihama, and C. Schulz, "Laser-based temperature imaging close to surfaces with toluene and NO-LIF," in International Conference on Laser Diagnostics, ICOLAD2005 (London, 2005), 53-61.
[7] S. Einecke, C. Schulz, and V. Sick, "Measurement of temperature, fuel concentration and equivalence ratio fields using tracer LIF in IC engine combustion," Appl. Phys. B 71, 717-723 (2000).
[8] M. Luong, W. Koban, and C. Schulz, "Novel strategies for imaging temperature distribution using toluene LIF," in International Conference on Laser Diagnostics, ICOLAD2005 (London, 2005), 155-161.
[9] W. Koban, J. Schorr, and C. Schulz, "Oxygen distribution imaging with a novel two-tracer laser-induced fluorescence technique," Appl. Phys. B 74, 111-114 (2002).
[10] W. Koban, J. D. Koch, V. Sick, N. Wermuth, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Predicting LIF signal strength for toluene and 3-pentanone under engine-related temperature and pressure conditions," Proc. Combust. Inst. 30, 1545-1553 (2005).
[11] D. Frieden, V. Sick, J. Gronki, and C. Schulz, "Quantitative oxygen imaging in an engine," Appl. Phys. B 75, 137-141 (2002).
[12] W. Koban and C. Schulz, "Toluene as a tracer for fuel, temperature and oxygen concentrations," SAE technical paper series 2005-01-2091 (2005).
[13] C. Schulz and V. Sick, "Tracer-LIF diagnostics: Quantitative measurement of fuel concentration, temperature and air/fuel ratio in practical combustion situations," Prog. Energy Combust. Sci. 31, 75-121 (2005).
[14] S. Einecke, C. Schulz, V. Sick, A. Dreizler, R. Schießl, and U. Maas, "Two-dimensional temperature measurements in an SI engine using two-line tracer LIF," SAE Technical Paper Series 982468 (1998).

Weitere Literatur zu spektralen Eigenschaften von Tracersubstanzen:

[15] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Toluene LIF at elevated temperatures: Implications for fuel/air ratio measurements," Appl. Phys. B 80, 147-150 (2005).
[16] J. D. Koch, W. Koban, C. Schulz, and R. K. Hanson, "Rayleigh-calibrated fluorescence quantum yield measurements of acetone and 3-pentanone," Applied Optics 43, 5901-5910 (2004).
[17] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Oxygen quenching of toluene fluorescence at elevated temperatures," Appl. Phys. B 80, 777-784 (2005).
[18] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Absorption and fluorescence of toluene vapor at elevated temperatures," Phys. Chem. Chem. Phys. 6, 2940-2945 (2004).
[19] F. Zimmermann, W. Koban, C. M. Roth, D.-P. Herten, and C. Schulz, "Fluorescence lifetime of gas-phase toluene at elevated temperatures," Chem. Phys. Lett., in press (2006).