Messtechnik

Inhalt/Ziele:
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines inline-Ölanalysesystems zur Detektion von Schädigungsmechanismen in Produktionsanlagen. Dies soll mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIPS) von Maschinenölen erfolgen, da durch Maschinenverschleiß Spuren entsprechender Komponenten (Kolben, Getriebeteile, …) als metallische Partikel in dieses gelangen. Mit einer frühzeitigen Detektion dieser Materialien kann eine Beschädigung der Produktionsmaschinen verhindert bzw. rechtzeitig erkannt werden.

Der neuartige Lösungsansatz liegt in der Zündung eines Plasmas in den vorher automatisiert aufbereiteten Ölproben, um die charakteristischen Partikel anzuregen und schließlich anhand der Spektralantwort die Elemente qualitativ sowie quantitativ analysieren zu können. Als Messspektrum werden die Verschleißelemente Eisen, Kupfer, Chrom, Aluminium, Silizium und weitere mit einer Detektionsgrenze im Parts-Per-Million-Bereich (ppm) angestrebt. Entgegen der bisher üblichen Analyse-/ Kontrollroutinen soll die hier entwickelte Messtechnik erstmalig inline angewandt und ein dauerhaftest Echtzeit-Monitoring der jeweiligen Maschine ermöglicht werden. Mit erfolgreichem Abschluss des Projekts sind die Ergebnisse insbesondere für Akteure im Bereich hydraulischer Anwendungen von großem Interesse.

Inhalt/Ziele:
Zur Einhaltung zukünftiger, strengerer Abgasnormen und durch die zunehmende Belastung, zum Beispiel in Ballungsgebieten, durch sehr hohe Emissionswerte steht die Entwicklung motorischer Brennverfahren weiterhin vor der Herausforderung den Treibstoffverbrauch, sowie die Schadstoffemissionen zu reduzieren und den Verbrennungsprozess effektiver zu gestalten. Durch die Analyse von Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen und innermotorische Verbrennungsuntersuchungen im transienten Motorbetrieb erhofft man sich neue Erkenntnisse über mögliche Verbesserungen.Hierzu sind hochrepetierenden LIF-Messsystemen (Laserinduzierte Fluoreszenz) gut geeignet. Diese sind jedoch gerade für kleine und mittelständische Unternehmen, die ihre Produkte durch die immer strengere Gesetzgebung besser auslegen müssen, meist zu teuer. Ein günstiger Preis, ein hoher Grad an Automatisierung, intuitive und vielfältige Anwendung sowie die Produzierbarkeit quantitativer Ergebnisse sind demnach wichtige Anforderungen an bestehende und neue Messsysteme dieser Art.Innerhalb des Forschungsvorhabens wird ein preisgünstiges hochrepetierendes LIF-Messsystem entwickelt, das einen neuartigen Pulslaser beinhaltet. Dieser kann mehrere aufeinanderfolgende Impulse hoher Energie und Strahlqualität emittieren, die unter anderem durch eine intelligente thermische Laststabilisierung frei triggerbar werden. Damit wird sich ein erheblicher qualitativer und quantitativer Fortschritt bei Untersuchungen von stationären und transienten Abläufen ergeben. Zur quantitativen Analyse von LIF-Bewegungsfeldern, sowie Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen und Lambdaverteilungen wird dieses Messsystem am LTTT zunächst installiert, charakterisiert und kalibriert. Anhand verschiedener optisch zugänglicher Versuchsträger, wie beispielsweise einer Brennkammer, einer schnellen Kompressionsmaschine oder einem Einzylinder-Dieselmotor werden das Lasersystem, die Ansteuerung und die Auswertesoftware im Projektverlauf parallel entwickelt und zeitgleich am LTTT im Praxiseinsatz erprobt. Mit Hilfe der Experimente am Lehrstuhl werden zudem aktuelle Fragen der Verbrennungstechnik bezüglich der Gemischbildung bei (alternativen) flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen bearbeitet. Der Einsatz der erweiterten LIEF-Methode (Laserinduzierte Exciplex Fluoreszenz) bietet zu diesen Fragestellungen zudem die Möglichkeit Gas- und Flüssigphase simultan mit nur einem Versuchsaufbau zeit- und ortsaufgelöst abzubilden und das Gemischbildungsverhalten flüssiger Kraftstoffe im transienten Betrieb zu analysieren. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich zusätzlich Rückschlüsse für weitere vielfältige Anwendungsgebiete des flexibel gestalteten LI(E)F-Messsystems ziehen.

Inhalt/Ziele:
Vor dem Hintergrund eines stetig steigenden globalen Energiebedarfs, weiter zunehmenden Emissionen klimawirksamer Spurengase sowie endlicher fossiler Energiereserven gewinnen nachwachsende Energieträger als zukunftsfähige Option vor allem auch im Verkehrsbereich an Bedeutung. Zwar sind biogene Mischkraftstoffe wie Biodiesel oder Bioethanol bereits etabliert und weltweit im Einsatz, doch soll dieses Angebot durch „maßgeschneiderte“ Kraftstoffe künftig erweitert werden. Um neue Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren effektiv einsetzen zu können, bedarf es einer möglichst umfassenden Kenntnis der einzelnen Prozesse in der motorischen Wirkkette. Hierbei spielt die Gemischbildung eine zentrale Rolle.Das Verdunstungs- und Verdampfungsverhalten der Kraftstoffkomponenten hat einen entscheidenden Einfluss auf die Gemischbildung. Abhängig von Einspritzzeitpunkt und Kraftstoffzusammensetzung beeinflussen die sich einstellenden lokalen Gemischbedingungen sowohl die Zündung als auch die Verbrennungsführung. Untersuchungen und Optimierungen der Verdampfung von Gemischkomponenten stützen sich zumeist auf Modellsimulationen, die es jedoch zu validieren gilt.Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die Zusammensetzung der Nachschleppphase von Kraftstoffeinzeltropfen und -tropfenketten sowie den Übergang der einzelnen Komponenten in die Gasphase zu analysieren. Hierfür wird ein hochauflösender Raman-Spektroskopie-Aufbau eingesetzt, welcher mit einem schnellem Triggersystem zur exakten Zeit- und Ortsauflösung erweitert ist. Zur Unterscheidung der einzelnen Komponenten werden die erzeugten Raman-Signale der CH3- und CH2-Valenzschwingungen mit einer intensitätsverstärkten Kamera aufgezeichnet und über den Kamerachip integriert.Um eine Beeinflussung durch Luftturbulenzen zu vermeiden, werden die Messungen in einer optisch zugänglichen Kammer durchgeführt. Zur Nachbildung biogener Mischkraftstoffe werden Mischungen aus Alkanen und Ethanol eingesetzt. Mittels Tropfengenerator werden Tropfen mit Durchmessern unter 100 µm erzeugt. Mit dem vorgesehenen Aufbau ist es möglich, Einflüsse intrinsischer und extrinsischer Änderungen zu untersuchen, indem z.B. Tropfentemperatur oder Tropfenabstand variiert werden. Hierdurch können Einflüsse der Temperaturgradienten zur Umgebung und der Verdampfung der Vorgängertropfen analysiert werden. Durch zeitliche Variation der Laseransteuerung lässt sich die Nachschleppphase entlang der Tropfenfallrichtung eindimensional auswerten.Die zu gewinnenden Messergebnisse können letztlich zur Validierung numerischer Modelle herangezogen werden.

Ergebnisse:
Ziel des Projektes war die Validierung eines am Lehrstuhl erweiterten Modells der kontinuierlichen Thermodynamik zur numerischen Simulation der Verdampfung mehrkomponentiger Kraftstofftropfen. Dazu wurden Untersuchungen zur Durchmesserabnahme sowie zur Änderung der Zusammensetzung von E85 (85 Vol.-% Ethanol mit 15 Vol.-% Super) durchgeführt. Die Messungen wurden im Projekt mit verschiedenen Tropfengeneratoren umgesetzt. Mittels optischer Aufnahmen, Wiegemessungen und Gaschromatographie wurden Daten über ein weites Parameterfeld an Durchmessern und Umgebungstemperaturen gewonnen. Dafür wurde zunächst die Stabilität der erzeugten Tropfen(ketten) mit Hilfe eines Schatten/Schlierenaufbaus überprüft. Im Rahmen des Projektes wurde dieser dann um eine Mikroskopoptik in Verbindung mit einer Hochgeschwindigkeitskinematographie erweitert.

Die Durchmesser- und Geschwindigkeitsbestimmung erfolgte reproduzierbar mit Hilfe eines automatisierten Auswertealgorithmus. Abbildung 1 zeigt beispielhaft einen Vergleich von verschiedenen experimentell bestimmten Daten mit der aus der Simulation berechneten Durchmesserabnahmen für E85-Tropfen. In einem Anfangsdurchmesserbereich von 40 - 60 µm konnte die notwendige Berücksichtigung einer endlichen Wärmeleitfähigkeit im diffusionsbegrenzten Modell experimentell bestätigt werden. Auch die Zusammensetzungsbestimmung mittels Gaschromatographie zeigte über die aufnehmbare Fallstrecke eine sehr gute Übereinstimmung mit der aus dem Modell vorhergesagten Abnahme des Benzinanteils der E85-Tropfen (vgl. Abbildung 2). Insgesamt wurden die numerischen Vorhersagen mit der entwickelten experimentellen Messtechnik sehr gut validiert.

Abb. 1: Vergleich der experimentell bestimmten und berechneten Durchmesserabnahmen von E85-Tropfen

Abb. 2. Vergleich der berechneten und gemessenen Änderung des Benzinanteils von E85-Tropfen über die Fallzeit

Ergebnisse:
In diesem Projekt wurde eine einfache Methode zur Bestimmung der Geschwindigkeitsfelder bei der Sprayausbreitung weiterentwickelt und auf die Flammenausbreitung übertragen. Diese Methode basiert auf der Analyse des optischen Flusses und wurde bereits in einem BFS Vorgängerprojekt (AZ 796-07) erprobt. Bei einer Spraybeleuchtung in Verbindung mit einer High-Speed-Kamera lassen sich die Geschwindigkeitsfelder während des gesamten Einspritzvorgangs und der beginnenden Verbrennung mit nur einer einzigen Messung bestimmen. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn bei dynamischen Strömungen wie der Spray- oder turbulenten Flammenausbreitung zyklische Schwankungen zu identifizieren sind. Bei dem Prinzip der sogenannten „Optical Flow Methode“ (OFM) werden sich bewegende Helligkeitsmuster analysiert. Daher ist die Detektion einzelner Partikel nicht nötig, wodurch die Methode ein Potential für die Analyse dichter Sprays und Flammen aufweist.

Um die OFM durch methodische Weiterentwicklung zu einem optimalen Auswerteverfahren zu überführen und deren Praktikabilität zu testen, wurde sie im ersten Abschnitt dieses Projektes mit dem Standardmessverfahren Particle Image Velocimetry (PIV) qualitativ und quantitativ erfolgreich validiert. Dazu wurde die OFM zunächst auf Lichtschnitt- und Schatten-Highspeed-Aufnahmen eines BDI-Sprays angewandt und mit einer simultan durchgeführten PIV-Messung verglichen (Abbildung 1). Am Beispiel des turbulenten Geschwindigkeitsfeldes der Spraystrukturen konnte demonstriert werden, dass sich große Bildsequenzen mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung und mit nur einer einzigen Messung analysieren lassen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen aus der Sprayanalyse konnte die OFM anschließend auf die Analyse der Flammenausbreitung bei magerer Verbrennung angewandt werden. Hierfür wurde ein strahlgeführtes Brennverfahren der ottomotorischen Verbrennung gewählt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Kombination der Spray- und Flammenanalyse mit OFM möglich ist (Abbildung 2), experimentell allerdings eine gute Abstimmung von Lichtquellenstärke, Kameraeinstellungen und Objektivwahl auf die Spraydichte und die Intensität des Flammenleuchtens voraussetzt. Um die bei der Strömungsfeldanalyse oft auftretende Beobachtungslücke zwischen Zündung und sichtbarem Flammenleuchten zu schließen, wurde die OFM über das eigentliche Projektziel hinaus auf hochaufgelöste OFM-Schlieren-Kombinationen angewandt.

Ergebnisse:
Im Teilprojekt III.3 des Forschungsverbundes FORGLAS wurden moderne laserspektroskopische Messmethoden so adaptiert, dass sie zur Untersuchung technologisch hochaktueller Funktionalisierungsprozesse bei der Herstellung und Bearbeitung des Werkstoffes Glas eingesetzt werden können. Als Ansatzpunkte im Bereich der Glasbearbeitung wurden die spektroskopische In-situ-Charakterisierung von Beschichtungsvorgängen im Rahmen eines chemical-vapour-deposition-Prozesses (CVD) sowie eine nachträgliche laserbasierte Analyse von bereits bestehenden Beschichtungen erfolgreich realisiert. Dazu wurde ein modellhafter CVD-Aufbau im Labormassstab konstruiert. Die optische Zugänglichkeit wurde in der Reaktionszone selbst durch einen eigens entworfenen cold-wall-Reaktor gewährleistet. Zudem wurde im Abgasstrang ebenfalls eine entsprechend angepasste optische Messzelle eingebaut, um die im Prozess entstehenden flüchtigen Produkte genauer analysieren zu können (Abbildung 1). Hierfür wurde die Ramanspektroskopie eingesetzt, mit der Moleküle eindeutig klassifiziert werden können.

Die Charakterisierung von Beschichtungen erfolgte über die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS), die Informationen über in den Proben enthaltene Elemente liefern kann. Sie wurde zur Bestimmung der Schichtdicken herangezogen. Durch eine Verknüpfung von spektralen mit örtlichen Informationen konnten verschiedene Beschichtungen mit einer lateralen Genauigkeit bis zu 200 µm aufgelöst werden. Auf dem Gebiet der Glasherstellung konnten direkt während des Schmelzprozesses sowohl Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Schmelze als auch auf die freiwerdenden Läuterungsgase gezogen werden. Im ersten Fall kam ebenfalls LIPS zum Einsatz. Die Emissionen des während des Schmelzvorganges auf verschiedenen Gläsern erzeugten Plasmas wurden aufgezeichnet, um sowohl qualitative als auch quantitative Aussagen über die enthaltenen Elemente zu treffen (Abbildung 2). Läuterungsgase wurden beispielhaft direkt über der Schmelzwanne eines Minimelters gemessen. Hierzu wurde wiederum die Ramanspektroskopie eingesetzt.

Abb. 1. Ramanspektroskopischer Aufbau zur Analyse der Zusammensetzung der Gasphase bei CVD-Prozessen

Abb. 2. Bestimmung des Aluminiumanteils eines Referenzglases im Aufschmelzprozess mittels in-situ Plasmaspektroskopie (LIPS). Über den gesamten Temperaturbereich von 20 bis 1300 °C kann eine sehr gute Übereinstimmung zu den Referenzwerten erzielt werden.