Development of Multi-Dimensional Laser Techniques for In-situ Combustion Diagnostics

Abstract: Popular Abstract in Swedish Det har traditionellt sett varit mycket svårt att genomföra förbränningsstudier i motorer, men i och med laserns introduktion har nya möjligheter öppnats. Under de senaste 20 åren har lasern blivit ett allt viktigare hjälpmedel, och ett stort antal laser baserade mätmetoder har utvecklats. Det är nu möjligt att mäta temperaturer, ämneskoncentrationer, hastighetsfält och partikelstorlekar, som tillsammans ger en utförlig bild av förbränningen. Fordonstrafiken ger upphov till en stor del av de miljö- och hälsofarliga ämnen som vi släpper ut i vår omgivning. Därför är det viktigt att satsa på forskning och utveckling inom motorområdet. För att förbättra dagens motorkonstruktioner måste vi förstå vad som sker under förbränningen. För att förstå och kunna förutse vad som händer finns det idag en mängd modeller för förbränning i bland annat motorer. Det är viktigt att kontrollera om dessa modeller ger korrekta resultat. Därför är kunskapen om hur man mäter temperaturer och koncentrationer av olika ämnen som bildas i själva förbränningsögonblicket viktig. Den mätdata som erhålls vid experimenten jämförs med de resultat som modellerna ger, och är överensstämmelsen god vet man att modellen som byggts upp är en bra beskrivning av det undersökta förbränningsförloppet. Det finns ett flertal anledningar till att mätmetoder med hjälp av laser har blivit så framgångsrika. Först och främst är det för att man kan göra så kallade beröringsfria undersökningar, vilket innebär att förbrännings-förloppet studeras utan att de kemiska och fysikaliska processerna påverkas av mätutrustningen. Sådana mätningar är mycket svåra att göra med konventionella mättekniker, som till exempel temperaturmätning med termoelement. Andra fördelar med laserbaserade tekniker är hög känslighet samt möjligheten att mäta i snabba och turbulenta förlopp. Det finns ett flertal olika sätt att mäta temperatur och koncentration med laserljus. Alla har sina för- och nackdelar: Vissa tekniker är bättre vid högre temperaturer och andra vid lägre, med en del metoder kan man dessutom mäta i flera punkter samtidigt. Gemensamt för alla lasertekniker är dock att man måste nå mätområdet med sin laserstråle. I en öppen flamma är detta enkelt, men när det gäller mätningar inuti motorer innebär det att motortillverkaren måste konstruera en så kallad optisk motor. En sådan motor har fönster så att man både kan skicka in laserstrålarna i cylindern samt få ut mätsignalen som innehåller temperatur- och/eller koncentrations-informationen. För att resultaten från mätningar i en sådan motor ska vara jämförbara med den ursprungliga motorn är det viktigt att den optiska motorn har samma inre geometri (utseende) som den som håller på att utvecklas. Avhandlingen behandlar en grundläggande studie av en laser-baserad teknik för temperaturmätning samt en studie om bränslets fördelning i olika typer av motorer. I delen om temperaturmätning undersöks möjligheten att använda en två-linje fluorescensteknik för att mäta temperaturen i ett område där sotpartiklar är närvarande. Syftet är att undersöka potentialen för att använda tekniken för framtida temperaturmätningar i dieselmotorer. Sotiga områden är ofta problematiska för många lasertekniker, eftersom laserstrålen absorberas av sotet som i sin tur hettas upp, vilket ytterligare stör temperatursignalen. Uppgiften har således varit att undersöka om två-linje fluorescenstekniken påverkas i sotiga områden. Resultatet från undersökningen är att tekniken har god potential för att mäta temperaturer i till exempel dieselmotorer, som producerar mycket sot. Lasermätningarna i olika motorkoncept har också utförts. I dessa har vi studerat hur bränslet transporteras till tändstiftet, bränslets läge i antändningsögonblicket och bränslets konsumtion under själva förbränningen. För att undersöka hur förbränningen i motorn utbreder sig har vi valt att studera en radikal, OH, som bildas i flamfronten. Med hjälp av dessa mätningar fick vi dessutom uppfattning om graden av turbulens under förbränningen; om flamfronten är mycket skrynklig tyder detta på att det har varit mycket turbulens. Mätningarna gav information som leder till ökad förståelse av förbränningsprocessen i motorn. I förlängningen leder detta till en förbättrad motordesign med högre effektivitet och mindre utsläpp som resultat.