Laserdiagnostiek van het verbrandingsproces in een dieselmotor (NNS.3368)

De bestudering van het verbrandingsproces in een dieselmotor is van wezenlijk belang voor de bestrijding van de schadelijke uitlaatgascomponenten. Tot nu toe vindt onderzoek naar deze stoffen hoofdzakelijk aan de uitlaat plaats. Recentelijk ontwikkelde laserdiagnostische technieken maken het echter mogelijk om het verbrandingsproces in de motor zelf gade te slaan. Zo kunnen de plaatsen waar NO gevormd wordt direct zichtbaar gemaakt worden zonder hierbij het verbrandingsproces te beïnvloeden. In een voorstudie aan een indirect ingespoten één-cilinder motor, draaiend op n-heptaan en op gasolie, is aangetoond dat het mogelijk is om m.b.v. laser-geïnduceerde fluorescentie (LIF) in combinatie met 2-D afbeeldingstechnieken de verdeling van NO in de motor te visualiseren.
Het doel van dit project is de ontwikkeling van laserdiagnostische technieken voor de visualisatie van moleculaire verdelingen en roetdeeltjes in de verbrandingsruimte van een direct ingespoten dieselmotor en de bestudering van deze verdelingen in het volledige verbrandingsproces, vanaf de inspuiting tot en met de verbrandingsprodukten. Hiertoe zal een zes-cilinder truckmotor van DAF optisch toegankelijk worden gemaakt. Door toepassing van verschillende lasersystemen zullen de mogelijkheden van de LIF detectie aanzienlijk worden vergroot. Tevens zullen de toepassingsmogelijkheden van andere laserdiagnostische technieken worden onderzocht, waarbij de detectie van NO, zowel in de verbranding van enkelvoudige brandstoffen, zoals n-heptaan, als van gasolie centraal zal staan. Daarnaast zal ook getracht worden inzicht in de roetvorming te verkrijgen door toepassing van de laser-geïnduceerde incandescentie (LII) detectiemethode. Zowel de NO als roetvorming zal worden bestudeerd als functie van de verbrandingscondities. Tevens zal de relatie tussen de in de motor gemeten NO verdeling en de uitstoot van NO worden onderzocht d.m.v. transiënte metingen aan het uitlaatgas.
Het project is gekoppeld aan een onderzoek naar verbeteringen van een dieselmotor dat in de sectie Vervoerstechnologie van de Technische Universiteit Eindhoven zal worden verricht. De verkregen resultaten zullen direct kunnen worden gebruikt in modelberekeningen van de Eindhovense groep waarin o.a. de NO vorming wordt gesimuleerd. Met de verkregen inzichten kunnen mogelijke motorwijzigingen worden aangebracht om hierdoor een reductie van de uitstoot van NO en roetdeeltjes te bewerkstelligen.

(Zie ook de beschrijving van dit project in het kader van het STW programma Schone en Zuinige Verbranding)

Een zes-cilinder truckdieselmotor is omgebouwd en via kwartsglazen in de cilinderwand, de cilinderkop en de zuigerkroon optisch toegankelijk gemaakt. Deze motor is opgesteld in een speciaal daartoe ingericht motorenlaboratorium dat de naam de Graalburcht heeft gekregen. Met behulp van de LIF techniek wordt gekeken naar de vorming van NO in de cilinder. Een belangrijke voorwaarde om het gemeten LIF-signaal om te zetten in NO-concentraties is dat het temperatuurprofiel in de cilinder bekend moet zijn. Momenteel is het nog niet mogelijk om direct temperaturen te meten, maar er worden momenteel nieuwe lasertechnieken ontwikkeld waarmee dit wel zou moeten kunnen.

Naast metingen aan de zes-cilinder motor zijn ook veel metingen gedaan aan een optisch toegankelijke één-cilinder twee-takt dieselmotor en een vier-takt dieselmotor. Bij de twee-takt motor kan de NO-productie gedurende de hele slag worden gevolgd. Mie verstrooiing is gebruikt als maat voor zowel de lokale laserintensiteit als de lokale deeltjesdichtheid. Behalve in de cilinder is er ook gemeten aan het uitlaatgas. Met behulp van LII wordt gekeken naar roetdeeltjes. De interpretatie van deze metingen is echter nog problematisch. Naast het ontwikkelen van nieuwe meettechnieken is het daarom heel belangrijk om gelijktijdig te werken aan betere numerieke modellen om het verbrandingsproces in motoren te kunnen berekenen. Deze modelontwikkelingen vindt plaats in samenwerking met de TU Eindhoven.

Behalve metingen met lasers is er ook gekeken naar de natuurlijke emissie van de verbranding. Dit geeft informatie over de ruimtelijke verdeling en de temperatuur van de vlam, alsmede het verloop van de verbranding gedurende de slag van de zuiger.

Het onderzoek heeft inmiddels geresulteerd in een groot aantal publicaties en bijdragen aan symposia en conferenties. Meer gedetailleerde informatie over het onderzoek is te vinden op de eigen website van de onderzoekers.

Gebruikers

Vier bedrijven, drie non-profit organisaties en één andere universiteit zijn bij dit project betrokken.

Projectleider

Dr. J.J. ter Meulen
Katholieke Universiteit Nijmegen
Afdeling Toegepaste Fysica
Toernooiveld 1
6525 ED NIJMEGEN.

Status van het project

Gestart	: 01/09/1994
Einddatum	: 01/06/2003

Trefwoorden

Natuurkunde, laser, laserfysica, verbranding, dieselmotor, uitlaatgas, LIF, fluorescentie, stikstof, incandescentie, laserdiagnostiek, diesel, emissie, verbrandingstechnologie, vlammen, roet. .