直喷火花塞引燃发动机中火焰传播和燃烧状态的周期性变化检测方案(流量计)

Untersuchungen der Flammenausbreitungund der zyklischen Verbrennungsschwankungenin einem direkt einspritzenden Ottomotormittels Zylinderdruckmessungund zeitsynchroner Hochgeschwindigkeits-Visualisierung Investigation of Flame Propagationand Cyclic Combustion Variations ina DISI Engine Using SynchronousHigh-Speed Visualization andCylinder Pressure Analysis Dr. Wolfgang Reckers， Dipl. Ing. Harald Schwab， Dipl. Ing. Claude Weiten，Dr. Bizhan Befrui， Dr.Ing. Reinhold Kneer，Technisches Zentrum LuxemburqDelphi Corporation Zusammenfassung Ein elektronisches Hochgeschwindigkeits-Visualisierungs-system zur zyklusaufgelosten Erfassung innermotorischerVorgange wirdvorgestellt. Das Visualisierungsystembesteht im wesentlichen aus einer CCD-Kamera， einemdiodengepumpten Nd：YAG Laser und einer Steuereinheit.Die Anwendung dieses Systems zur Untersuchung derFlammenausbreitung und ihrer zyklischen Schwankungenan einem optisch zuganglichen direkt einspritzenden Otto-motor wird dargestellt. Die Ergebnisse bei homogener Ver-brennung bestatigen die primare Abhangigkeit der zykli-schen Verbrennungsschwankungen von der Grosse desursprunglichen Flammenkernes. Die Aufnahmen aus demSchichtladebetrieb zeigen eine signifikante Storung derFlammenausbreitung bei Vorhandensein von Tropfchenver-brennung und RuB， mit entsprechenden Konsequenzen furdie Analyse der Flammengeometrie. 1. Einleitung Die Beherrschung der zyklischen Verbrennungschwankun-gen in Ottomotoren ist eine wesentliche Voraussetzung zurAbsenkung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemission beigleichzeitiger Steigerung des Fahrkomforts. Als motorischeMassnahmen kommen hierbei in zunehmendem |Masmagere Verbrennung und gesteigerte Abgasruckfuhrratenzur Anwendung. Bei direkt einspritzenden Ottomotorenkommt zusatzlich der EinfluB der Ladungsschichtung aufdie zyklischen Schwankungen zum Tragen. Kraftstoffein-sparung und Verbrennungsstabilitat stellen hier einen Ziel-konflikt dar， den es durch Auswahl geeigneter Strategien zulosen gilt. Der Zusammenhang zwischen den zyklischen Verbren-nungsschwankungen undl d(er Grosse des ursprunglichenFlammenkernes in homogen betriebenen Ottomotoren istallgemein bekannt [1-7]. Die Optimierung des Schichtla-debetriebs erfordert jedoch weitergehende Untersuchungenim Hinblick auf die Entflammungsphase und die Flammen-ausbreitung. Der Einfluss von Turbulenzintensitat， inhomo-gener Gemischbildung und Ladungsbewegung (auch Ein-spritzstrahlinduziert) ist hierbei von besonderem Interesse.Eine Messmethode， die zur Untersuchung dieser Phanome-ne benutzt wird， sollte in der Lage sein， neben reinen Stro-mungsuntersuchungen die Ausbreitung des Kraftstoffstrah-les und die zugehorigen Gemischbildungseffekte， sowie dieEntflammung und die nachfolgende Flammenausbreitungzyklusaufgelost zu erfassen. Mit einem solchen Werkzeugkann dann der EinfluB der einzelnen Prozesse auf die zykli-schen Verbrennungsschwankungen herausgearbeitet wer-den， um zu einem grundlegenden Verstandnis der beteilig-ten Phanomene zu gelangen. In der Vergangenheit wurdenhaufig photographischeSchlierenmethoden， auch mit hoher zeitliche Auflosung， zurSichtbarmachung des Zundfunkens und des Flammenfort-schritts in Ottomotoren eingesetzt [1-7]. Diese Technikweist jedoch einige gravierende Nachteile auf： Abstract An electronic high-speed imaging system capable of cycle-resolved investigation of the in-cylinder flow， spray andflame development in IC engines is presented. The imagingsystem is comprised of a CCD camera and a diode-pumpedNd：YAG laser. The application of the system， in conjunctionwith the standard combustion analysis， to a transparentDISI engine， with the goal of investigation of cycle-resolvedflame development and cyclic combustion variations， isdescribed. The results for the homogeneous-charge combu-stion mode confirm the primary dependence of the cycliccombustion variations on the initial flame kernel size. Theflame imaging for the stratified-charge combustion casereveal significant flame distortion and effect of dropletcombustion and soot on the flame luminosity， with conse-quent short-comings for analysis of the flame geometry. 1. Introduction Cyclic combustion variation in Sl engines is of paramountpractical importance with regards to drive-ability and，especially， measures for improvement of fuel economy andemissions， such as lean homogeneous combustion and EGRdilution. In DISI engines， the additional influence of chargestratification on cyclic combustion variation is an importantparameter， that bears critical influence on the stratifiedcharge preparation strategies (e.g. fuel injection time) andthe consequent fueleconomy and emission charac-teristics. The origin and characteristics of the cyclic combustionvariations in homogeneous-charge SI engines and itsprimary dependence on the initial flame kernel size is wellestablished [1-7]. However， the optimization of the DISIstratified-charge combustion， requires further investigationin terms of flame initiation and flame propagation. Theinfluences of charge in-homogeneity， spray-induced chargemotionandturbulenceintensity are? consideredi kkeyelements with regard to the flame development charac-teristics. In this respect， a cycle-resolved measurementtechnique that would provide capabilities for investigationof the flow field， the development of the spray and theassociated charge preparation， the ignition and the sub-sequent flame propagation processes is a necessary tool todifferentiate the influence of individual processes on thecyclic combustion variations and promote an understandingof the phenomena. Traditionally， theeSchlieren high speedphotographytechnique is employed for investigation of the spark igni-tion and the flame development processes in SI engines[1-7]. However， the technique suffers from the drawback： (1) the data is not immediately available at the time ofdata-acquisition， for the control and optimization of theexperiment and data acquisition parameters. (2) it cannot be readily coupled with laser diagnostictechniques for the analysis of the flow field， that isrequisite to provide the relevant pre-ignitioncycle-resolved data. (1) Die Information liegt zum Aufnahmezeitpunkt nicht ineiner Form vor， die eine unmittelbare Optimierung vonExperiment und die Datenaufnahme zulassen wurde. (2) Die photographische Information ist nicht sofort einernachfolgenden automatisierten Bildanalyse zuganglich. (3) Laserbasierte Diagnosetechniken， die zur Stromungs-feldanalyse und damit zur Charakterisierung desLadungszustandes unmittelbar vor der Zundungbenotigt werden，konnen damit nur schwer gekoppeltwerden. Neueste Fortschritte bei der Entwicklung elektronischerKamerasysteme [8] erlauben die angefuhrten Probleme zuvermeiden und bieten damit die Moglichkeit die ottomotori-sche Verbennung quasi on-line zu untersuchen. Die vorgestellte Veroffentlichung beschreibt ein Hochge-schwindigkeits-Visualisierungsystem und dessen Anwen-dung zur Erfassung der Flammenausbreitung in einemdirekt einspritzenden Ottomotor bei Homogen- und Schicht-ladebetrieb. Grundsatzlich kann dieses System auch zurSichtbarmachung und zyklusaufgelosten Messung der Gas-stromung und der Kraftstoffstrahlausbreitung herangezo-gen werden. Das System erlaubt die Aufnahme von bis zu16 Bildern mit beliebigen Zeitabstanden. Das Visualisie-rungssytem ist mit der Datenaufnahme des Motorenpruf-standes gekoppelt， so daB zeitsynchron sowohl die thermo-dynamischen Verbrennungsdaten als auch die optischenInformationen zur Flammenausbreitung aufgezeichnet wer-den konnen. Diese Veroffentlichung ist wie folgt gegliedert： In Kapitel 2wird das Hochgeschwindigkeits-Visualisierungssystem unddessen Handhabung beschrieben. Kapitel 3 erlautert diewesentlichen Punkte des eingesetzten Motorenprufstandes，des Optikmotors， der Datenerfassung und des experimen-tellen Aufbaus. In Kapitel4 werden die thermodynamischenVerbrennungsdaten， in Form von Zylinderdruckschriebenund berechneten Warmefreisetzungsraten，mit denzugehorigen Flammenausbreitungsbildern verglichen unddiskutiert. Die wichtigsten Ergebnisse werden am Endenochmals hervorgehoben. 2. Das Optische Messsystem 2.1. Systemkomponenten Das Hochgeschwindigkeits-Visualisierungssystem bestehtim wesentlichen aus drei Modulen： a) einer CCD-Kamera，b)einem diodengepumpten Nd：YAG Laser， und c) einer Steuer-einheit. Die Kamera kann durch die Steuereinheit variabelgetriggert werden (siehe Abschnitt 2.4). Bei Messaufgaben，die eine Zusatzbeleuchtung erfordlich machen (z.B. Sicht-barmachung von Einspritzstrahlen)， wird auch der Laservon der Steuereinheit getriggert. 2.2. Hochgeschwindigkeits-Kamera Die verwendete CCD-Kamera (LaVision UltraSpeedStar-16，12 bit， 640 x 512 pixel) kann 16 Vollbilder mit einem mini-malen zeitlichen Bildabstand von At=1 ps aufnehmen. Die (3) the photographic data is not readily amenable toapplication of numerical methods for data reduction. The recent advances in electronic digital optical systems[8] offer an incentive to explore non-photographic alter-natives for combustion investigation in IC engines， thatafford advantages with regards the aforementioned short-comings. The present publication describes a high-speed electronicoptical system capable of cycle-resolved visualization ofthe in-cylinder flow， spray and combustion processes， andits application for investigation of the flame development ina DISI engine under homogeneous and stratified-chargecombustion operations. The system affords collection of 16images with total flexibility in imposing arbitrary delaytimes between the images. The optical system is coupledwith the engine combustion data acquisition and analysissystem， thus enabling synchronous measurements of theflame propagation and the combustion data. This paper is structured as follows： section 2 provides adescription of the high-speed visualization system and itsoperation. Section 3 presents the main features of the com-bustion test facility， data acquisition system， the opticalDISI engine and the experimental set-up for the investi-gation of the flame propagation. In Section 4 the combus-tion data， in the form of cylinder pressure measurements，instantaneous heat release rate and the associated flamedevelopment visualizations for a DISl engine are presentedand discussed. Finally， the main findings of the study aresummarized. 2. The Imaging Measurement Device 2.1. System Components The high-speed imaging system consists of three mainunits： a) a CCD camera， b) a diode pumped Nd：YAG Laser，and c) a timing control unit. The camera enables variabletriggering， which is provided by the timing control device.In these circumstances where additional lighting is needed，for instance for visualisation of the Dl-gasoline or Dieselsprays， the control unit serves as well for triggerring of thelaser. 2.2. High Speed Camera System The camera used is a 12-bit 640 x 512 pixel CCD-camera，capable of recording 16 complete frames at a minimumframe separation time of 1 ps (LaVision UltraSpeedStar-16).It contains 4 separate CCD-chips and a special beam-splitter. Each CCD-chip is further divided into 4 interleavedsub-frames. The compact camera design allows the usageof a standard F-mount lens and lend itself to easyalignment. In addition， standard laboratory set-up compo-nents can be used for camera fixation at the test bed，owing to its light weight The camera has a high sensitivity and low noise of lessthan 10 photo-electrons， which is important for low-inten-sity light conditions in high-speed PIV [8]. The minimumexposure time per frame is 500 nsec. In engine applica-tions， a two-stage image intensifier is mounted in front of Kamera enthalt 4 separate CCD-Chips， die uber einen spe-ziellen vorgeschalteten Strahlteiler belichtet werden. JederCCD-Chip ist in 4 weitere Bildbereiche unterteilt. Das kom-pakte Kamera-Design erlaubt die Verwendung eines Stan-dard-"F-mount”Objektives und sichert damit eine einfacheJustage sowie eine problemlose Integration in den experi-mentellen Aufbau. Die Kamera weist eine hohe Empfindlichkeit und ein gerin-ges Rauschen von weniger als 10 Photo-Elektronen auf.Dies ist insbesondere beim Arbeiten mit geringen Beleuch-tungsintensitaten wichtig， die vor allem bei Hochgeschwin-digkeits-PIV-Aufnahmen auftreten konnen [8]. Die minima- the camera to increase the sensitivity and provide a fastshutter operation (Table 1). 2.3. Pulsed Laser The laser used in the system is a diode-pumped Q-switch-triggered Nd-YAG laser at 532 nm operating at 1 to 100 kHz(Spectra Physics T80-YHP40-532) (Table 2). The averagepower is about 10 W (@10-20 kHz). The beam quality isexcellent (M2<1.2)， so that the beam can be shaped intoa thin light sheet with high local intensity. The Q-switchaffords total flexibility with regards to triggering time sche-dule， hence enabling use of different timing schemes for Der eingesetzte Laser ist eindiodengepumpter Nd：YAGLaser (532 nm)， der mittels Q-Switch getriggert wird und mitFrequenzen von 1 bis 100kHzbetrieben werden kann (Spec- tra Physics T80-YHP40-532) (Tabelle 2).Die durchschnittlichebetragt 10 W (im Bereich von 10-20 kHz).Aufgrund der exzellenten(M2< 1.2) kann der Laserstrahl in einendunnenLichtschnitt mitLichtintensitat geformt werden. Die Ver-wendung eines Q-Switches erlaubt eineflexible Triggerung und damit eine best-mogliche Anpassung an die vom Messob-jekt vorgegebene Zeitintervalle. 2.4. Steuereinheit Das Motorsteuergerat stellt das Kontroll-signal (Master Trigger) fur das Visualisie-rungssystem bereit. Die Steuereinheit trig-gert daraufhin die Kamera und ggf. denLaser gemaBi einemdrei Triggerschemata： (1) Konstanter Bildabstand (typischer-weise zur Einspritzstrahl-Analyse undbei zeitlich periodischen Aufnahme-sequenzen) (2) Vordefinierte (nichtperiodische)Belichtungssequenzen (Untersuchungtransienter Prozesse， wie beispiels-weise Offnungs- und SchlieBphaseeiner Einspritzduse) High Speed Camera Sensor 640 x512@ 16 frames Frame rate <=1 MHz Shutter speed 500 ns (50 ns with intensifier) Readout noise <10e@ 12.5 MHz Dynamic range 12 bit Spectral sensitivity 380 ...950 nm 190 .. 850 nm withimage intensifier Tabelle 1：Spezifikation der Hochgeschwindigkeitskamera Table 1： Specification of the high speed camera system Abbildung 1： HochgeschwindigkeitskameraFigure 1： High speed camera Diode-pumped Nd-YAG Repetition Rate Typical Energy/Pulse 1 kHz 1mJ 5 kHz 0.9 mJ 10 kHz 0.8 mJ 20 kHz 0.5 mJ 40 kHz 0.25 mJ 80 kHz 0.05 mJ Tabelle 2： Leistungsdaten des Puls-Lasers Table 2： Performance data of the pulse laser 2.4. Timing Control Unit The engine controller providesthe master timing for the ima-ging system. The control unittriggers the camera and thelaser (if required) according toone ofthethree followingtrigger schemes： (1) Constant framing rate(Time-based： typicallyused for spray analysisand continuous imageacquisition) (2) Image schedulingaccording to a predefined table (Time-based： investigation of highly transientprocesses， such as injector openingand closing) (3) Separate external triggering ofindividual frames (Crank angle based：synchronization to crank angleschedule independent of enginespeed) For this investigation， the constant framerate triggeringmode is employed. Theengine controller providesthemastertrigger for the imaging system； the systemtiming control unit triggers the camera(Figure 2). 3. Combustion Test Facility 3.1. Engine Test Bed The combustion test facility comprises ofan automated FEV engine test cell， incor-porating the Schenck VEGA optimizationsoftware， that enables a fully automated，unmanned operation.Theengine dataacquisition (pressures， temperatures， airand fuel flow rates voltages， etc.) and the test-cell automation is realized by the ADAPT DAC system.The engine coolant， lubricant， the in-take air， the exhaustback-pressure and the fuel are conditioned. The high-speed (3) Separate externe Trigge-rung jedes einzelnen Bildes(z.B. kurbelwinkelsynchro-ne Aufnahmen bei veranderlicher Motordrehzahl) In dervorliegendeni Unter-suchung wurde ein Triggermo-dus gemaB 1) gewahlt. Ausge-hend vom Signal des Motor-steuergerates (Master Trigger)wird die Kamera von derSteuereinheitddesVisualisie-rungssystems getriggert (sieheAbbildung 2) Kamera-trigger steuerung Figure 2： Timing control combustionnaanalyzer is anADAPT CAS (16 channels， witha sample rate 100 kHz perchannel) that enables the real-time calculation of the maincharacteristic combustionparameters (indicated pressu-re， heat release rate， COV IMEP，etc.) on the basis of the cylin-der pressure iindication. Theexhaust gas emissions analysisinstrumentation consists of theengine-out heated Horiba Mexa7500 exhaust gas analyzers 3. Versuchseinrichtungen furVerbrennungsdiagnostik 3.1.Motorprufstand Der Motorprufstand besteht aus einer automatisierten FEVPrufzelle， einschlieBlich eines Schenck VEGA Systems furdie automatische Kennfeldoptimierung. Diese erlaubt einenvollautomatischen Betrieb des Prufstands ohne Bedienper-sonal. Die niederfrequente Datenerfassung (Drucke， Tempe-raturen， Kraftstoff- und Luftmassendurchsatze， Emissionensowie diverse Spannungen) und die Regelung des Pruf-stands (Konditioniereinrichtungen，Motorbremse.USW.)werden vom System ADAPT DAC ausgefuhrt und uberwacht.Motorkuhlmittel， Schmierstoff， Ansaugluft und Kraftstoffwerden konditioniert， wahrend beim Abgas der Druck gere-gelt wird. Das eingesetzte ZylinderdruckindiziersystemADAPT CAS (16 Kanale mit einer Erfassungsrate von bis zu100 kHz pro Kanal) ermoglicht die Berechnung allerwesentlichen Verbrennungsparameter (indizierter Mittel-und Spitzendruck， Kovarianz des indizierten Mitteldrucks，Schwerpunktlage， Heizverlauf， usw.) in Echtzeit. Zur Abga-sanalyse werden die Systeme Horiba Mexa 7500 (EinlassC02， Auslass CO2， CO， HC， NO， NOx， 02 Konzentrationen) mitbeheizter Abgasentnahmeleitung， AVL 415 Smoke-meter(Bosch Rauchzahl) und AVL 439 Opacimeter (Abgastrubung)eingesetzt. (intake CO2， exhaust CO2， CO， HC， NO， NOy， 02)， the AVL 415Smoke-meter and the AVL 439 Opaci-meter. 3.2. Single-Cylinder Research Engine The combustion investigations are performed with the aidof a modular AVL single cylinder research engine， incorpo-rating a wall-guided DISI design. It affords a variable com-pression ratio capability and complete freedom in arrange-ment of the intake-exhaust cam schedules. The engine canbe assembled either in optical configuration， for maximumaccess (including into the pent-roof combustion chamber)for optical combustion diagnostics or in a thermo-dynami-cal configuration that would closely resemble a productionengine (in terms of geometry). The engine geometriy andoperation data are provided in the Table 3. 3.3. Optical Engine Setup Figure 3 and Figure 4 show the configuration of the opticalengine and layout of the optical access. The camera isfocused onto the combustion chamber through the quartzwindow in the piston bowl. The observed area is close tothe intake valves and includes the spark plug as indicatedin Figure 4. 4. Results 4.1. Homogeneous Charge Combustion The results in this section pertain to the "homogeneous-charge”DISI engine operation mode. In this respect， it is Die Verbrennungsuntersuchun-genwurdennian einem modu-laren AVL Einzylinder-Versuchs-motor durchgefuhrt. Dieser kannwahlweise als Optikmotor mitmaximaler optischer Zuganglich-keit， insbesondere in das Brenn-raumdach.oderals Thermo-dynamikmotorraufgebaut wer-den. Im letzten Fall kann dieMotorgeometrieden GGegeben-heiten eines Serienmotors ange-alichenwerden. Die geometri-schen Daten des Motors und diejeweiligen Drehzahlgrenzen sindin der Tabelle 3 aufgefuhrt. Engine Bore (mm) Stroke (mm) Compression ratio Intake valve time IVO IVC Exhaust valve timeEVO EVC Speed range (rpm) Optical engine Thermodynamic engine 8686 11.9 34°CA BTDC54° CA ABDC 74°CA BBDC14° CA ATDC 600-2000600-8000 Tabelle 3：Daten des Einzylinder-Versuchsmotors 3.3. Aufbau desOptikmotors Abbildung 3 zeigt schematischden Aufbau des Motors und dieAuslegung des optischenZugangs. Die Kamera erfasstTeile des Brennraums durcheinFenster im Kolbenboden，das gleichzeitigdieuntereBegrenzung der Kolbenmuldedarstellt. Damit laBt sich einBereicheinsehen.t， dder dieZundkerze und Teile der beidenEinlassventile unfaBt. Dies istin Abbildung 4durch eineAnsicht von unten verdeutlicht. 4. Ergebnisse 4.1. HomogeneVerbrennung Die in diesem Abschnitt vorge-stellten Ergebnisse beziehensich auf den Homogenbetriebdes direkt einspritzenden Ver-suchsmotors. Hierbei muBbeachtet werden， daB auch indiesem Modus der Gemischzu-stand nicht absolut homogensein wird und daher zyklischeSchwankungen der Gemisch-zusammensetzung an der Ker-zenposition nicht ausgeschlos-sen werden konnen. Die vorge-stelltenEErgebnissebeziehensich auf die Betriebsdaten inTabelle 4. Abbildung 5 zeigt charakteris-tische Ergebnisse zur Flam-menausbreitung， bei denen die Abbildung 3： Optische Konfiguration (Seitenansicht) Figure 3： Optical Setup (side view) Speed： 1200 min External EGR： 0% Spark Timing：30°CA BfTDC NMEP： 3.3 bar Lambda： 1 . Injection： Intake stroke Tabelle 4： Motorbetriebsdaten bei homogener Verbrennung Table 4： Engine parameters for homogeneous combustion mode. results under-score the signifi-cant cyclic variations of theflame development. The flamearea in the images is shown inshades of gray . The flamedevelopment can be seen invertical directionwhere eachpicture corresponds to theindicated delaytimeafterspark. The horizontal compari-son of the images yields thesignificant level of cyclic varia-tion in flame propagation atidentical engine operatingconditions Table 5 The cycle-resolved flameimages indicate developmentof near-spherical flames， at thespark plug location (the sparkplug electrode is identifiable inseveral imagessasabrightband within the flame centralregion). Significantly， there isevidence of flame kernel dis-placement towards the intakeports as a result of large-scalereverse tumble flow-flameinteraction. The resultssuggest that the origin of cycliccombustion variation is a ran-dom process associated withthe flame initiation： the fast-burn combustion cycles8iareidentifiableat600usaftercommanded spark. These results are agreementwith the Schlieren photogra-phy/ hot-wire anemometerinvestigations of Hamamoto etal (3)) aanndd the flame-kernel Flammenausbreitung individueller Arbeitsspiele als Bildse-rien von 16 Bildern dargestellt ist. Der von der Flamme zueinem bestimmten Zeitpunkt erfaBte Bereich des Beobach-tungsraumes ist grau bis dunkelgrau dargestellt. In der Ver-tikalen laBt sich der Flammenfortschritt erkennen， wobeijedes Bild einem vordefinierten Zeitpunkt ( in ps) nach Zun-dungsausgabe entspricht. Der Vergleich der IBildserienuntereinander verdeutlicht die signifikantenzzyklischenSchwankungen der Flammenausbreitung bei identischenMotorbetriebsbedingungen . Die zyklusaufgelosten Flammenbilder charakterisieren dieAusbreitung der nahezu spharischen Flammenfronten ander Zundkerzenposition. Die Mittelelektrode der Zundkerzeist in einigen Bildern als heller rechteckformiger Fleck inder Mitte des grauen zentralen Flammenkerns zu erkennen.Die Bilder zeigen eine Verschiebung des Flammenkerns inRichtung der Einlasskanale， was auf eine groBskalige"reverse tumble”Interaktion des Stromungsfeldes mit der growth study of Witze et al (7) that indicate absence of astrong influence of mixture motion on the fluctuations ofthe flame size in the early stage of combustion. Figure 6 and Figure Z， respectively， illustrate the correla-tion of the indicative cylinder pressure and the instanta-neous heat release rate， obtained from the combustion ana-lysis， with the associated cycle-resolved flame propagationdata for two individual combustion events representative offast- and slow-burn cycles. The correspondence betweenthe instantaneous heat release rate and the temporal deve-lopment of the flame is indicated by the vertical lines (1 to16) in the diagrams of Figure 6 and Figure Z that corre-spond to the associated flame images which are shown inthe lower part of the figures. The results in Figure 6 and Figure Z illustrate the correla-tion between the ignition delay and the subsequent heatrelease rate variation with the flame kernel size and deve-lopment. This correlationis further demonstratedin sich ausbreitendenFlammenfronthindeutet.DDie Bilderlaassen dieAnnahme zu， daB die Ursache derzyklischen Verbrennungsschwan-kungen in der Entflammungsphasebegrundet liegt： Arbeitsspiele， diebereits in einer fruhen Phase groBeBereiche des Beobachtungsraumesabdecken， werden Von"spaten”Arbeitsspielen nicht eingeholt， wasdie GroBe der Flammenregion anbe-langt. Dies ist in Ubereinstimmung mit denResultaten von Hamamoto et al. [3]，die mit Hitzdrahtanemometer undSchlierenphotographie gearbeitethaben， sowie der Arbeit uber Flam-menkernwachstum von Witze et al.[7]， die einen geringen EinfluB derGemischbewegung auf die beobach-tete GroBe der Flamme in der Fruh-phase der Verbrennung aufzeigen. Abbildung 6 und AbbildungZ ver-deutlichendiegute Ubereinstim-mung zwischendenIndizierdatenund den zugehorigen zyklusaufgelo-sten Bilderserien der Flammenaus-breitung.Dargestellt sind zwei typi-sche Arbeitsspiele als Vertreter furlangsam undschnell brennendeZyklen. Die Zeitpunkte an denen dieBilder aufgenommen wurden sindals vertikale Linien in die Kurven furdie Warmefreisetzungsrate eingetra-gen. Die zugehorigen Bilder sindunterhalb der Diagramme angeord-net. Die in Abbildung 6 und Abbildung Zdargestellten Ergebnisse betonenden Zusammenhang zwischen Ent-tlammunigguunddemAnstieggdernachfolgenden WarmefreisetzungeinerseitsundandererseitsdemFlammenfortschritt， in den Bildseri-en dargestellt als GroBe der von derFlamme erfaBten Zone. Diese Ube-reinstimmung ist ininAbbildung 8nochmalsverdeutlicht.WonebenKurven fur den Heizverlauf Kurvenfur das Wachstum der Flammeno-berflache eingetragen sind. DieseKurven wurden mittels automatisier-ter Bildanalyse aus den Bilder derFlammenausbreitung abgeleitet undweisen aut einen wesentlichenZusammenhang zwischen demanfanglichen FlammengroBen-wachstum und der zu einem spate-ren Zeitpunkt beobachteten Warme- Abbildung 5： Zyklusaufgeloste Bildserien der Flamme(homogene Verbrennung) Figure 5： Cycle-resolved flame propagation visualisations(homogeneous-charge combustion) Abbildung 6： Indizierdaten (Brennraumdruck und Heizverlauf) zusammenmit der entsprechenden， zyklusaufgelosten Bilderserie derFlamme fur einen langsam brennenden Motorzyklus(homogene Verbrennung， 1200 min-1) Figure 6：Combustion data (indicative pressure and instantaneous heatrelease rate) and the corresponding cycle-resolved flamedevelopment data for a slow-burn cycle(homogeneous charge， 1200 rpm) Figure 8 where the cycle-resolvedflame surface-area developmentdata (extracted from the flame pro-pagation images) are presented inconjunction with the associated heatreleaserate data.Overall. theresults indicate a primary correla-tion between the initial flame kernelsize and the subsequent heat relea-se rate variation. Notably， as indica-ted in Figure 8， the later cyclic varia-tions of the flame surface develop-ment appear to be of secondaryinfluence. 4.2. Stratified ChargeCombustion The results in this section pertain tothe "stratified-charge" DISI engineoperation mode. The engine opera-ting conditions are： Figure 9 presents， similar to Figure5， a sample of cycle-resolved flamepropagation data， in the form of 16images at pre-specified times (in ps)aftertime-of-sparkffor aasingleevent， for several engine cycles. Theresults， most notably， show signifi-icantt d(ifference to thehhomoge-neous-charge flame images seen inFigure 5： (1) An overwhelming variationof the flame luminositywithin the apparentreaction zone and scatteredlight， likely due to sootradiation， render exactidentification of the flamegeometry difficult. (2) There is evidence ofsignificant distortion andcyclic variation of thereaction zone. (3) There is evidence ofdroplet combustion withinthe reaction zone. (4) Although there is indicationof significant cyclic varia-tion of the initial flamekernel size (images at 560ps delay after commandedspark)， the flame develop-ment images do not support acorrelation with the subsequentflame propagation andassociated cycliccombustion variations. freisetzungsrate hin. Die in Abbil-dung8 erkennbaren， spaterenSchwankungen der von der Flammeerfassten Flache sind hingegen vonuntergeordneter Bedeutung. 4.2. Schichtladebetrieb Die vorgestellten Ergebnisse bezie-hen sich auf den folgenden Betriebs-punkt， bei dem der direkt einsprit-zende Ottomotor im Schichtlademo-dus gefahren wurde (Tabelle 5). In Abbildung9i ssind analogzuAbbildung 5 Bildserien der Flam-menausbreitung im Schichtladebe-trieb dargestellt. Die vertikal ange-ordneten Bildserien entstammenjeweils einem einzigen Arbeitsspiel，nebeneinanderangeordneteBild-serien zeigen deutlich die Variati-onsbreite der Flammenausbreitungals Folge zyklischer Schwankungen.Wesentlich sind hier die starkenUnterschiede zu den in Abbildung 5dargestellten Bildern der Flammen-ausbreitung bei homogener Verbren-nung： (1) Innerhalb des Beobach-tungsraumes treten sehrstarke Variationen der vonder Flamme emittiertenStrahlung auf， die mogli-cherweise durch Tropf-chenverbrennung und diedadurch auftretende Russ-bildung verursacht sind.Diese Variationen erschwe-ren die nachfolgende Bild-analyse insbesondere inder fruhen Entflammungs-phase. (2) Eine signifikante Verfor-mung der Reaktionszoneund， ihr zugeordnet， ent-sprechende zyklischeSchwankungen sind zubeobachten. (3) Die Form und Lage derdunklen Zonen laBt auf dasAuftreten von Tropfchen-verbrennung schlieBen. (4) Obwohl aus den Bilderneine starke zyklischeVariation der Anfangsflam-mengroBe erkennbar ist(Bilder bei dt =560 psnach Zundungsausgabe)， Abbildung 7： Indizierdaten (Brennraumdruck und Heizverlauf) zusammenmit der entsprechenden， zyklusaufgelosten Bilderserie derFlamme fur einen schnell brennenden Motorzyklus(homogene Verbrennung， 1200 min-1) Figure 7：Combustion data (indicative pressure and instantaneous heatrelease rate) and the corresponding cycle-resolved flame development data for a fast-burn cycle (homogeneous charge， 1200 rpm) Abbildung 8： Quervergleich der zyklischen Schwankungen der FlachenvergroBerung(Flammenbilder) und der entsprechenden Heizverlaufe (Indizierung) beihomogener Verbrennung Figure 8：Correlation of the cyclic variations of flame surface area developmentand the corresponding heat release rate (homogeneous charge， 1200 rpm). Speed： 1200min"' External EGR： 0% Spark Timing： 28CA BfTDC NMEP： 1.8 bar Lambda： 2.9 EOl： 66°CA BfTDC Motorbetriebsdaten bei homogener VerbrennungTable 5： Engine parameters for homogeneous combustion mode. Figure 10 and Figure 11 provideconcurrentcombustiondataaandcycle-resolved flame developmentimages for two individual combus-tionnevents representative of thefast- and slow-burn cycles. Notablythere is a much faster heat releaserate increase seen in stratified com-bustion compared to the homoge-neous combustion. The local mixturecomposition as well as the level ofturbulence provide the explanationfor this. The results inFigure 12showabsence of a correlation betweenthe heat release rate and the imageanalysis. This is a consequence ofthe insufficient contrast between thevapour-phase flame radiation andthe background， that incapacitatedthe numerical image analysisalgorithm. In this respect an appro-priate use of filter， gain adjustmentand extension of the image analysisalgorithm is required for investiga-tion of inhomogeneous ( and par-tially heterogeneous) combustions. 5. Conclusions The capability offanelectronichigh-speed imaging for cycle-resolved visualization of itheflame development in IC engi-nes is demonstrated.The ima-ging systemisincorporatedinto the combusion test facility，thus enabeling immediatecomparison of the heat releasedataa with flame propagationanalysis. The imaging systemoffers unlimited flexibilty overtiming control and sufficientspatial resolution for analysisof important geometrical flameparameters. The application of the opticalsystem，inconjunctionnwithcombustion dataacquisitionsystem， to an optical DISI engi-ne confirms the correlation ofthe cyclic combustion varia-tions and the initial flame ker-nel size for the homogeneouscombustion case. However inthe case of stratified chargecombustion no conlusionscould be drawn owing to thelimitations of the imageanalysis algorithm in the unterstutzen die nachfol-genden Bilder das Vorhan-densein eines Zusammenhanges zwischen derAnfangsflammengroBe unddem beobachteten Flam-menwachstum nicht. In Abbildung 10 and Abbildung 11sind wiederum die Indizierdaten mitden Bildserien fur ein langsam undein schnell brennendes Arbeitsspielzusammengestellt..Bemerkenswertist die deutlich hohere Anstiegsrateder Warmefreisetzung gegenuberder homogenen Verbrennung. Dielokalen Gemischverhaltnisse sowiegesteigerte Turbulenzintensitat kon-nen hierfur unter anderem als Ursa-che in Frage kommen. Infolgedes ungenugenden Kon-trasteszzwischen demRand derFlammenfront und dem Hintergrund-signal lieB sich der zuvor benutzteBildauswertealgorithmus nicht ein-setzen. Deshalb konnte eine Korrela-tion wie zuvor im Falle homogenerVerbrennung fur den Schichtladebe-trieb nicht abgeleitet werden. Diesist in Abbildung 12 dargestellt. 5. Zusammenfassungund Ausblick Die Leistungsfahigkeit eines elektro-nischen Hochgeschwindigkeits-systems zurVisualisierung derFlammenausbreitung wurde gezeigt.Das Visualisierungssystem ist zumBestandteil des Prufstands fur dieVerbrennungsdiagnostikgeworden.Die flexible Ansteuerung und dieausreichende raumliche Auflosungermoglichen die Erfassung und diedigitale Auswertung der Flammen-ausbreitung am gefeuerten Motor.Dadurch kann ein direkter Vergleichvon Indizierdaten und Flammengeo-metrie vorgenommen werden undlieferttfureinen BDE-MotorimHomogenbetrieb die Bestatigung desZusammenhangs zwischen ur-sprunglicher Flammkerngrosse undden zyklischen Schwankungen. Im Schichtladebetrieb ist eine ahnli-che Aussage derzeit nicht ableitbar.Aufgrundl der grossen Intensitats-schwankungen innerhalb der Bilderkonnen mit dem vorhandenen Algo-rithmus keine Flammengrossen er- Abbildung 9： Zyklus-aufgeloste Bildserien der Flamme (Geschichtete Verbrennung) Figure 9：Cycle-resolved flame propagation visualisations(stratified-charge combustion) Abbildung 10： Indizierdaten (Brennraumdruck und Heizverlauf) zusammenmit der entsprechenden， zyklusaufgelosten Bilderserie derFlamme fur einen langsam brennenden Motorzyklus(geschichtete Verbrennung， 1200 min-1) Figure 10： Combustion data (indicative pressure and instantaneous heatrelease rate) and the corresponding cycle-resolved flamedevelopment data for a slow-burn cycle (stratified charge， 1200 rpm) presence of a wide variation of theflame luminosityyengendered bydroplet combustion and SOotradiation. Further development of the imagingsystem for application to DISl chargecombustion environment will involveappropriatefilter techniques，inorder to isolate the droplet flameand soot radiations， and extension ofthe image analysis algorithm.Additionaly pattern recognitionalgorithms will be implemented forinvestigation1 of flame-flow inter-actions. mittelt werden. Diese Inten-sitatsschwankungen werdendurch die nebeneinanderablaufenden Prozesse derhomogenen Verbrennung in derGasphase， der Diffusionsver-brennung von Tropfchen unddes RuBleuchtens hervorgeru-fen. In Zukunft soll das vondiesen ProzessenemittierteLicht durch geeignete Filter-techniken separiert werdenund damit die Basis fur eineverbesserte Auswertungmiteinem neuen Algorithmusgeschaffen werden. 6. Literatur / References [1] Young， M.B. "Cyclicdispersion in a homo-geneous-chargespark-ignition engine- a literaturesurvey"， SAE paper810020， 1981 [2] Swords， M.D.， Kalghatgi， G.T. andWatts， A.J."An experimentalstudy of ignition andflame development ina spark ignitedengine"， SAE paper821220，1982 [3] Hamamoto， T.，Wakisaka， T. andOhnishi， M.，"Cycle-to-cyclefluctuation of leanmixture combustionin spark-ignitionengines"， Bull.JSME， Vol. 25，No.199， p. 61，1982 J41 Noske，G.； Heywood，J.B. & Keck， J.C."Early Flame deve-lopment and pressurerise in a spark igni-tion engine”， MITreport， August 1986 Kalghatgi， G.T.，"Spark ignition， earlyflame developmentand cyclic variation inIC engines” SAEpaper 870163， 1987 [5 [7] [8] Abbildung 11： Indizierdaten (Brennraumdruck und Heizverlauf) zusammen mit derentsprechenden， zyklusaufgelosten Bilderserie der Flamme fur einen schnellbrennenden Motorzyklus (geschichtete Verbrennung， 1200 min) Figure 11： Combustion data (indicative pressure and instantaneous heat release rate)and the corresponding cycle-resolved flame development data for aslow-burn cycle (stratified charge， 1200 rpm) Abbildung 12： Quervergleich der zyklischen Schwankungen der FlachenvergroBerung(Flammenbilder) und der entsprechenden Heizverlaufe (Indizierung) beigeschichteter Verbrennung Figure 12： Correlation of the cyclic variations of flame surface area developmentand the corresponding heat release rate (stratified charge， 1200 rpm). [6] Zur Loye， A.0. andBracco， F.V.， "Two-dimensionalvisualization ofignition Kernels in anIC engine”Combustion & Flame，vol. 69，pp. 59-69，1987 Witze， P.O.， Hall， M.J.& Bennett， M.J."Cycle-resolved mea-surements of FlameKernel growth andmotion correlated withcombustionduration"， SAE paper 900023，1990 Wieneke， B. andReckers，W. " Highspeed PIV using high-frequency diode-pumped solid statelaser and multi-frameCCD”， Proc.9thInternational Symp.On flow visualization.Paper 439，Edinborough， 2000. INTERNATIONALES SYMPOSIUM FUR VERBRENNUNGSDIAGNOSTIK An electronic high-speed imaging system capable of cycleresolvedinvestigation of the in-cylinder flow, spray andflame development in IC engines is presented. The imagingsystem is comprised of a CCD camera and a diode-pumpedNd:YAG laser. The application of the system, in conjunctionwith the standard combustion analysis, to a transparentDISI engine, with the goal of investigation of cycle-resolvedflame development and cyclic combustion variations, isdescribed. The results for the homogeneous-charge combustionmode confirm the primary dependence of the cycliccombustion variations on the initial flame kernel size. Theflame imaging for the stratified-charge combustion casereveal significant flame distortion and effect of dropletcombustion and soot on the flame luminosity, with consequentshort-comings for analysis of the flame geometry.