Ignition Diagnostics based on Spark-Induced Breakdown Spectroscopy for Gas-Engine Applications

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. ... mehrGegenwärtig 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.

Spark ignition engines involve cyclic variation of the combustion process. A better understanding of the underlying mechanisms driving these variations is of major importance for the optimization in terms of emissions and fuel economy. The location and growth rate of the initial flame kernel is one of the factors affecting the magnitude and timing of the peak cylinder pressure. In turns, the rate of development of the initial flame kernel is mainly affected by the local fuel concentration and homogeneity near the spark gap and the local flow conditions, such as turbulent structure and magnitude. ... mehrCurrently, natural gas-dedicated engines with direct injection combustion concepts are being developed to improve the thermal efficiency and take advantage of the lower CO2 emissions compared to gasoline and diesel. The higher knock resistance of methane allows increasing the compression ratio, but this also makes it a more challenging environment to successfully initiate combustion, especially in lean or stratified combustion or at high EGR conditions. This leads to higher requirements on the ignition system and on the control of the mixture formation process. A diagnostic tool for providing information on the mixture composition at the spark plug during spark timing is highly valuable for research and development purposes. Spark-Induced Breakdown Spectroscopy (SIBS) is a measurement technique in which the plasma formed by spark generation between two electrodes is used as the excitation source for optical emission spectroscopy. The light emission from the species excited by the plasma is related to the local mixture conditions, and therefore can be used as a diagnostic tool to deliver information on local conditions around the spark plug during the ignition attempt. In SI engines, SIBS can be used in the combustion chamber with minor engine modifications and is therefore a promising alternative to other investigation techniques, as Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), where a laser has to be coupled to the combustion chamber. In this work, different quiescent mixture compositions at ambient temperature and elevated pressure conditions were investigated in a constant volume cell. A spectrometer and an intensified camera were used to capture the plasma emission from the electrical discharge in order to develop a SIBS-based measurement technique for ignition events investigation. The role of methane, air and hydrogen on the electrical discharge characteristics and the plasma emissions were investigated. Moreover, atomic and molecular spectral emissions in different ambient conditions and for different mixtures were analyzed and compared, with the aim to obtain a deeper insight on the SIBS response to the complex physical and chemical phenomena underlying the ignition event. Results show that the proposed technique is a compact and versatile tool for applications involving atomic and molecular species detection in different ambient conditions.