Entwicklung und Anwendung einer simultanen, 2D-Geschwindigkeits-, und Temperaturmessmethode mittels thermographischer Phosphore unter motorischen Bedingungen
Development and application of simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measurements using thermographic phosphors under engine-relevant conditions
Développement et application d'une technique de diagnostic optique pour des mesures 2D et non-intrusives de température et de vitesse des gaz en condition moteur
Résumé
In der vorliegenden Arbeit wurde eine nicht-intrusive Methode der Laserdiagnostik zur simultanen Messung von Gasgeschwindigkeit und -temperatur in einem optisch zugänglichen Verbrennungsmotor entwickelt und getestet. Diese Messmethode der thermographischen PIV (T-PIV) kombiniert Phosphorthermometrie mit Particle Image Velocimetry (PIV) und ermöglicht die simultane Messung von Geschwindigkeit und Temperatur eines Gases.Im Verlauf der Arbeit wurden drei kommerziell verfügbare Phosphormaterialien für die Motorexperimente getestet: BAM:Eu2+, ZnO and ZnO:Zn. Die optischen Eigenschaften und die Spektralantwort des Phosphors auf Parametervariationen wie Temperaturänderungen wurden gemessen. Daraus wird eine temperaturabhängige Kalibrationskurve erstellt, die zur Temperaturmessung im Motor dient. Der Phosphor ZnO:Zn wurde für Temperaturmessungen im Motor ausgewählt, da die optischen Eigenschaften des Phosphors die größte Sensitivität zu Temperaturänderungen aufweisen.In einem Verbrennungsmotor wurden Temperaturmessungen bei 1200 U/min und 10 Hz unter geschleppten Bedingungen zwischen 180°KW und 540°KW durchgeführt. Geschwindigkeit und Temperatur des Gases wurden an mehreren Kurbelwinkeln während des Verdichtungs- und Expansionstaktes gemessen und die Gastemperatur mit der Restgastemperatur einer 0D Simulation verglichen. Die Abweichung zwischen Mess- und Simulationsergebnissen beträgt 1% (200°KW) und 14% (480°KW). Die Messgenauigkeit für den Mittelwert über 200 Messzyklen beträgt 55 K (18%) bei 300 K und 2 K (0.3%) bei 614 K.Die Messmethode wurde außerdem zur Restgastemperaturmessung im gefeuerten Betrieb des optischen Motors angewandt. Jedoch konnte unter diesen Bedingungen keine validen Messungen durchgeführt werden, da der Phosphor möglicherweise bei Verbrennungstemperaturen degradiert und die Lumineszenz-Eigenschaften verändert werden. Eine erfolgreiche Anwendung von T-PIV unter motorischen Bedingungen wird künftig unter der Voraussetzung möglich sein, dass verbrennungsresistente Phosphormaterialien gefunden werden.
A non-intrusive laser diagnostics technique has been developed for simultaneous measurements of velocity and gas temperature in optically accessible internal combustion en-gines. The technique, thermographic PIV (T-PIV) combines phosphor thermometry and particle image velocimetry (PIV) and offers the possibility of simultaneous measurement of gas temperature and velocity.Suitable phosphor materials were selected by testing three commercially available phosphors: BAM:Eu2+, ZnO and ZnO:Zn. The lumines-cence emission and the spectral response to var-ious parameters including temperature were measured yielding a temperature-dependent cal-ibration curve to be used for signal interpreta-tion in engine experiments. The ZnO:Zn phos-phor shows the highest sensitivity to tempera-ture allowing higher temperature precision. Therefore, ZnO:Zn phosphor was chosen as the suitable candidate for engine measurements.Measurements were performed in an internal combustion engine at a speed of 1200 rpm with a sampling rate of 10 Hz between 180 and 540°CA under motored conditions. The temper-ature and velocity fields were measured success-fully at various times throughout the compres-sion and the exhaust stroke. The obtained tem-perature fields are compared with simulated bulk-gas temperatures from a 0D model-based simulation showing a temperature deviation of around 1% (200°CA) to 14% (480°CA) from the model. The measurement accuracy was found to be 55 K (18%) at 300 K and 2 K (0.3%) at 614 K for the 200-cycles average.The potential of the diagnostics was tested also in in cylinder post-combustion gases. In this case, the diagnostics was failing probably due to the characteristics of the phosphor used, which does not seem to resist to high combustion tem-peratures degrading its luminescence properties. The potential of T-PIV in post-combustion gases remains under the conditions of finding more resistant phosphor particles.
Dans le cadre de cette thèse, une tech-nique de diagnostic optique a été développée pour mesurer simultanément la température et la vitesse de gaz dans un moteur thermique trans-parent.La technique de la PIV-thermographique (T-PIV) combine la thermométrie par phosphores-cence et la vélocimétrie par image de particules (PIV) et offre la possibilité de mesurer simulta-nément la température et la vitesse du gaz. Le matériau luminophore approprié a été choisi en testant trois luminophores disponibles dans le commerce : BAM:Eu2+, ZnO et ZnO:Zn.L'émission lumineuse et la réponse spectrale à divers paramètres, y compris la température, ont été mesurées dans un écoulement gazeux ense-mencé de particules afin de reproduire les con-ditions rencontrées typiquement dans un mo-teur. Cela à permis d’obtenir une courbe d'éta-lonnage dépendante de la température à utiliser dans les expériences sur moteur. Les particules de ZnO:Zn montrent une sensibilité relative-ment plus forte à la température permettant une précision plus élevée sur la mesure de tempéra-ture.Pour ces raisons, le ZnO:Zn a été choisi comme candidat approprié pour les mesures dans le mo-teur transparent.Les mesures ont été effectuées à un régime mo-teur de 1200 tr/min avec une fréquence d'échan-tillonnage de 10 Hz entre 180 et 540°vil sans combustion.Les champs de température et de vitesse ont été mesurés avec succès à différents angles vilebre-quin pendant la phase de compression et de dé-tente. Les champs de température obtenus expé-rimentalement sont comparés aux températures obtenues à partir d'une simulation 0D montrant un écart de température d'environ 1% (200°vil) et de 14% (480°vil) par rapport au modèle de si-mulation. La précision de mesure estimé est de 55 K (18%) à 300 K et de 2 K (0.3%) à 614 K sur une moyenne de 200 cycles.La T-PIV a également été testé pour mesurer la température des gaz en post-combustion. Dans ce cas, les mesures étaient impossibles, proba-blement en raison d’une dégradation du maté-riau luminophore utilisé qui ne résiste pas aux températures élevées de la combustion. Les perspectives de développements futurs qui ré-sultent de ces résultats sont la sélection d’un lu-minophore capable de résister à plus hautes tem-pératures.Enfin, la technique montre un grand potentiel de développement dans un environnement moteur.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Loading...