直喷发动机中燃料燃烧过程检测方案(流量计)

Optische Messmethoden zur Optimierungvon Wasserstoff-DI-Brennverfahren Optical measurement methods for the optimizationof the hydrogen DI combustion Dipl.-Ing. Wolfram Kirchweger， Univ.-Prof. Dr. techn. Helmut EichlsederInstitut fur Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik，Technische Universitat Graz /Osterreich Dipl.-Ing. Falk Gerbig，Dipl.-Ing. Udo GerkeBMW Group， Munchen A9.0 1 Einleitung Eines der groBten Bedurfnisse der Menschen ist seitjeher die Mobilitat， und dass dieses vorzugsweise mitdem eigenen Fahrzeug befriedigt wird， ist unuberseh-bar. Zumindest in den Industrielandern hat die mas-senhafte Verbreitung von Automobilen aber dazugefuhrt， dass auch die Schattenseiten des Individual-verkehrs hinsichtlich Imissionsbelastung und vorallem Ressourcenverbrauch und CO-Produktionimmer deutlicher sichtbar werden. Aber selbst in denLandern， in denen sich zumindest ein Bewusstsein furdiese Problematik entwickelt hat， kann von einerVerringerung des Autoverkehrs keine Rede sein， es istschon als Erfolg zu werten， wenn er nicht zu starkansteigt. Viele Schwellenlander， und damit einGroBteil der Weltbevolkerung， stehen aber erst amAnfang dieser Entwicklung undzeigenwenigVerstandnis dafur， auf diese fur uns selbstverstandli-che Annehmlichkeiten zu verzichten. Mit dem weiter-hin rasanten Wachstum so groBer Lander wie Chinaund Indien ist also zu erwarten， dass der Handlungs-bedarf hinsichtlich einer Reduzierung des Verbrauchsfossiler Brennstoffe noch sehr viel groBer werdenwird als heute. Als einer der aussichtsreichsten Energietrager fureine nachhaltige Energiewirtschaft stellt sich derWasserstoff dar， in der Anwendung in Kraftfahrzeu-gen ist damit die Vision einer sauberen， umwelt-freundlichen Mobilitat denkbar. Als Antriebskonzeptmit Wasserstoff bietet sich dafur der Verbrennungs-motor an， nicht nur wegen der im Vergleich zu ande-ren Konzepten relativ einfachen Umsetzbarkeit， son-dern vor allem weil der Verbrennungsmotor imBetrieb mit Wasserstoff Entwicklungssprunge ermog-licht， die mit konventionellen Kraftstoffen kaum denk-bar sind. Als Konsequenz daraus werden bereits seit dem Jahr2001 am Institut fur Verbrennungskraftmaschinenund Thermodynamik der TU Graz in Kooperation mitder BMW Group Forschung und Technik neuartigeWasserstoffbrennverfahren mit Hochdruck-Direkt-einblasung entwickelt. Dabei soll ein Antrieb entwik-kelt werden， der bei annahernd schadstofffreiemBetrieb eine hohere Leistungsdichte als moderneBenzinmotoren und einen zumindest gleich gutenWirkungsgrad wie heutige Dieselmotoren erreicht.Schon die fruhen Versuche r_am Einzylinder-For-schungsmotor zeigten die groBen Potenziale diesesKonzepts zur Erreichung dieser ehrgeizigen Ziele [1]. Sehr schnell zeigt sich aber auch， dass mit empiri-schen Methoden allein kaum groBe Fortschritte imBrennverfahren moglich sind. Aufgrund der imVergleich zu anderen Kraftstoffen noch hoherenAnzahl von Freiheitsgraden und den immer nochrelativ geringen Erfahrungen ist es notwendig， einentieferen Einblick in die innermotorischen Vorgange zubekommen. Ein wichtiges Werkzeug hierfur stellt die3-dimensionale CFD-Simulation dar， die neben ver-schiedenen Sondermesstechniken bereits in einerfruhen Phase des Projekts wichtige Erkenntnisse lie- 1 Introduction Mobility always has been and still is one of the mostimportant needs of humankind， and it is evident thatmost people prefer satisfying this need with theirown cars. At the same time the downsides of trafficlike pollution， emission of carbon dioxide and con-sumption of resources are becoming more and moreobvious. But even in societies where the need forchange has become generally agreed upon， no realchange in behavior can be observed， and even aslowdown in the increase of traffic has to be conside-red a success. The major part of the world's popula-tion is living in emerging countries which are still atthe beginning of this process and shows - under-standably -no interest in doing without the amenitieswe take for granted. In the light of the ongoing rapideconomic growth of countries like China and India itis obvious that the call for action on reducing the con-sumption of fossil fuels in the future will be evengreater than it is today. One of the most promising alternative fuels for asustainable energy cycle is hydrogen with the poten-tial of providing a clean and environmentally friendlymobility when used for vehicle propulsion. Usedwithin an internal combustion engine hydrogen hasthe advantage of combining a proven technologywith possible quantum leaps in engine technology.These derive from the particular properties of hydro-gen which allow optimized combustion processes notfeasible with conventional fuels. As a consequence， a cooperation was startedbetween the institute for internal combustion enginesand thermodynamics at TU Graz and BMW Groupresearch and technology in the year 2001 to investi-gate new combustion systems for hydrogen withhigh-pressure direct-injection. The goal is to developa drivetrain with zero-impact on the environment，higher specific output than today's gasoline enginesand at least equal efficiency compared to modern die-sel engines. First tests with a one-cylinder researchengine have already shown the high potential of thisconcept [1]. At the same time these investigations have shownthe limits of standard methods generally used inengine development. A large number of degrees offreedom and the comparatively limited experiencewith hydrogen lead to the need for a deeper under-standing of the in-cylinder processes. An importantrole is played therefore by 3D-CFD-simulation to-gether with special measurement techniques sincethe early days of the project (Figure 1). Nevertheless，further measurements for the verification and optimi-zation of the applied models are unavoidable.Especially high flow speeds deriving from high-pres-sure injection still pose a serious challenge for com-mercially available CFD-codes [2]. The subsequent need for measurement techniqueswhich provide direct insight into the combustionchamber without altering the ongoing mixing andcombustion processes consequently leads to the ferte(Abbildung】 1).Allerdings besteht wei-terhin der Bedarf nachVerifizierung und Op-timierung der vorhande-nen Modelle. Vor allemdie hohen Stromungs-geschwindigkeiten beiderHochdruckeinbla-sung stellen auch wei-terhin hohe Anforde-rungen an die verfugba-ren CFD-Codes [2]. Umso mehr sind Mess-techniken gefragt， diedirekt Einblicke ermog-lichen， ohne dabei dieVorgange im Motor we-sentlich zu beeinflussen，das Mittel der Wahl sinddabei optische Metho-den. Bereits in fruherenVeroffentlichungen im Abbildung 1： Einsatz unterschiedlicher Entwicklungswerkzeuge zur Optimierung vonWasserstoff-Brennverfahren c；Figure 1： Application of different development tools for the optimizationof the hydrogen combustion process applicationof opticalmethods. Previouspublications within thisproject have presentedsuitable methods for theanalysis of the combus-tion process in the one-cylinder research-en-gine. The systems used-VisioFlame@ andVisioKnock@ by AVL -have the advantage ofbeing comparativelyeasy to apply on theengine while allowingmeasurements in thewhole operating rangeof the engine [3]. For a more detailledunderstanding of the in-cylinder processes newknowledge can be ob-tained by applying laser Rahmen dieses Projekts wurde auf Verfahren einge-gangen， die die Analyse des Verbrennungsvorgangsam Einzylinder-Forschungsmotor erlauben. Die dafurverwendeten Systeme VisioFlame bzw. Visio-Knock@ der Firma AVL GmbH bieten den Vorteil， dasssie relativ einfach an einem Standardmotor applizier-bar sind und Messungen im gesamten Lastbereichauch am Wasserstoffmotor ermoglichen [3]. Noch detailliertere Informationen zu den innermotori-schen Vorgangen konnen uber laseroptische Metho- based measurement techniques on the optical rese-arch engine (Figure 2). For this task， a new engine testbed was installed at the institute to enable these mea-surements on DI-hydrogen combustion processes.The method chosen was the laser-induced fluores-cence (LIF) as it allows extensive insights into mix-ture formation and combustion processes. This article focuses on the application and adaptationof the laser-induced fluorescence to the particularrequirements of a hydrogen engine. A method for den an einem Transpa-rentmotor gewonnenwerden. AusdiesemGrund wurde am Institutfur Verbrennungskraft-maschinen und TTher-modynamik einPruf-stand mit Transparent-motor aufgebaut (Abbil-dung 2)， um Untersu-chungen zu direktein-blasenden Wasserstoff-brennverfahren zuer-moglichen. Bei derMesstechnikfiel dieWahl auf die Methodeder laserinduziertenFluoreszenz (LIF)， dahier sowohl bei der Ge-mischbildung als auchbeider Verbrennungwichtige Erkenntnissezu gewinnen sind. ln diesem Beitrag solldarauf eingegangenwerden， wie auf Basisdieser grundsatzlich be-kannten Messtechnik Abbildung 2： quantified measure-ments of fuel distribu-tion during mixture for-mation was developedas well as a method forthe visualization of theflame front. By provi-ding representativeresults the role of opti-cal measurements in thedevelopment processfor the combustionsystem iishighlightedand possibilities for afurther optimizationfocusing on emissionsand efficiency areshown. spezielle Methoden fur die Anwendung am Wasser-stoffmotor entwickelt wurden um zum einen quantifi-zierte Messungen der Wasserstoffverteilung wahrendder Gemischbildung zu erhalten und zum anderen dieAusbreitung der Flammenfront wahrend der Ver-brennung visualisieren zu konnen. Weiters wirdanhand ausgewahlter Ergebnisse die Rolle der opti-schen Messtechnik bei der Weiterentwicklung desBrennverfahrens beleuchtet und es werden Optimie-rungsschritte， vor allem hinsichtlich einer Verbesse-rung von Wirkungsgrad und Emissionsverhalten， vor-gestellt. 2 Angewandte Messmethode Die Laser-induzierte-Fluoreszenz (LIF) als Messtechnikfur Gemischbildung und Verbrennung ist eine in derMotorenforschung inzwischen etablierte， allerdingsaufgrund des hohen Aufwands nur selten standard-maBig eingesetzte Methode. Gerade bei sehr komple-xen Brennverfahren， fur die erst begrenzt Erfahrun-gen vorhanden sind， ist die Aussagekraft dieses opti-schen Verfahrens jedoch fast konkurrenzlos und derAufwand dafur sehr wohl gerechtfertig. Das Prinzip basiert auf Absorptions- und Emissions-prozessen von Licht. Dabei werden Molekule des akti-ven Mediums durch die Absorption von Laserlicht aufein hoheres Energieniveau gebracht， das anschlie-Bende Zuruckfallen auf ein niedrigeres Energieniveaufuhrt zur Emission von Licht einer anderen Wellen-lange， dies wird als Fluoreszenz bezeichnet. Je nach Anwendung kann dabei entweder die zuuntersuchende Substanz direkt angeregt werden oderdem gesuchten Stoff eine Markersubstanz， ein soge-nannter Tracer， beigefugt werden. Im ersten Fall ist esnotwendig die Wellenlange des Laserlichts genau aufden gewunschten Energieubergang des gesuchtenMolekuls abzustimmen， was eine Laserlichtquelleerfordert， die in der Lage ist， hochenergetisches Lichtin der erforderlichen Wellenlange zu erzeugen. Daubliche Lasersysteme je nach Bauart nur in be-schrankten Wellenlangenbereichen betreibbar sind，ist die Anzahl an direkt anregbaren Substanzengrundsatzlich eingeschrankt. Dazu kommen nochweitere Faktoren， wie die Verfugbarkeit einzelnerKomponenten und deren Einsetzbarkeit unter Pruf-standsbedingungen， die weitere Einschrankungennach sich ziehen. 2.1 Tracer-LIF am Wasserstoffmotor Um die Verteilung von Kraftstoffen in Gemischen zuermitteln wird daher ublicherweise die Methode derTracer-LIF gewahlt， die Auswahl der Tracersubstanzrichtet sich dabei sowohl nach optischen Kriterien alsauch nach den physikalischen Eigenschaften. EineGrundvoraussetzung dabei ist die gute， vorzugsweisebreitbandige Anregbarkeit durch den Laser. Dieserfordert groBe， verzweigte Molekule mit einerVielzahl von moglichen Energieubergangen. Gleich-zeitig sollten aber auch die physikalischen Eigen-schaften des Tracers moglichst denen des Kraftstoffs 2 Applied measurement technique Different applications of laser-induced fluorescenceare established techniques in combustion research bynow， but due to high complexity and costs they areseldom used as a standard method in the develop-ment of new concepts. For the development of com-plex combustion systems though， no other methodcan deliver as much insight into the processes goingon within the combustion chamber. The resultsderived from these optical methods are invaluableespecially under conditions where little experience isavailable yet - as it is with hydrogen combustionengines with high-pressure direct-injection. The principle of this technique is based on absorp-tion- and emission-processes of light. Molecules areinteracting with light photons， as they are excited bylaser light to a higher， instable energy level. Theirsubsequent return to a ground level results in theemission of light of different wavelength. This pro-cess is generally called fluorescence. Depending on the application， the molecules used forfluorescence may be the substance investigated or amarker mixed to the main substance， a so called tra-cer. In the first case it is necessary to set up the laserfor the exact excitation wavelength for a specificenergy transition of the investigated molecule.Therefore a complex laser system is required whichcan deliver high pulse energies within a very smallband of wavelengths. Most laser systems are capableof producing discrete wavelengths only， thus limitingthe choice of excitable molecules. Additional factorslike the availability of components and the applicabi-lity on the engine test bench lead to further limita-tions. 2.1 Tracer-LIF in the hydrogen engine For these reasons the method commonly used formeasuring the fuel distribution is the so-called Tracer-LIF. The choice of a suitable tracer substance has tobe based on optical and physical criterions. A crucialprecondition is a good excitability， preferably bybroadband laser light， which implies the existence ofnumerous energy transitions within a narrow spectralrange.Therefore，large branched molecules are oftenused as tracers. At the same time the physical pro-perties of the tracer should be similar to the subs-tance investigated to avoid demixing. entsprechen， um Entmischungsvorgange zu vermei-den. lm Fall des Wasserstoffs widersprechen sich dieseForderungen allerdings， da keine Substanz diese ver-zweigte Molekulstruktur und gleichzeitig eine auchnur annahernd dem Wasserstoff ahnliche Dichte auf-weisen kann. In diesem Fall muss den optischenEigenschaften der Vorzug gegeben werden， da sonstkeine Messungen moglich sind. Eine weitere Anforderung bei der Verwendung desMessverfahrens mit Wasserstoff-Hochdruckeinbla-sung ist die， dass der Tracer im gesamten verwende-ten Druckbereich gasformig dem Kraftstoff zuge-mischt sein muss. Einerseits muss also die Konzen-tration so niedrig gewahlt werden， dass der Partial-druck im gesamten Druckbereich unter dem Dampf-druck bleibt. Andererseits muss die Leuchtintensitattrotz der niedrigen Konzentration stark genug sein，um aussagekraftige Ergebnisse zu liefern， die sichauch fur eine Quantifizierung des Signals eignen.Aufgrund von theoretischen Uberlegungen und Er-kenntnissen aus veroffentlichten Arbeiten wurdeTriethylamin (TEA) als Tracer fur Wasserstoff gewahlt[4]. In fruheren Untersuchungen konnte auch bereitsnachgewiesen werden， dass hiermit bei der Einbla-sung keine nennenswerten Entmischungsvorgangestattfinden [5]. Die Anregung ist hierbei durchLaserlicht mit einer Wellenlange von 248 nm reali-sierbar， was den Einsatz dieses Tracers bei Anregungdurch einen KrF-Excimer-Laser ermoglicht. DieEmission des Fluoreszenzsignals erfolgt dabei imBereich um 300 nm [6]. Uber Untersuchungen am optischen Motor konnteauch die theoretisch gegebene lineare Abhangigkeitder Signalintensitat vom Kraftstoff/Luft-Verhaltnisnachgewiesen werden (Abbildung 3). Diese Messun-gen wurden bei auBerer Gemischbildung mit Heliumanstelle des Wasserstoffs durchgefuhrt， um auchhohe Konzentrationen des zu messenden Gases beisicherem Betrieb zu ermoglichen. Die Ergebnisse In the case of hydrogen these two demands are cont-radictory， as no molecule exists with a branchedstructure and a molecular weight anywhere near theweight of the hydrogen molecule. Therefore the opti-cal properties of the tracer have to be given the prio-rity to allow LIF-measurements. A further prerequisite for the applicability with high-pressure direct-injection is the possibility to mix thetracer with the main substance over the whole pres-sure range. In the case of hydrogen this results in avery low concentration of the tracer， so that the parti-al pressure is always low enough to keep the tracer ingaseous state under all conditions. On the otherhand， the intensity of the fluorescence signal has tobe strong enough to provide enough information fora quantification of the results. Based on theoreticalconsiderations and on findings already published，Triethylamine (TEA) was chosen as the tracer forhydrogen [4]. It was already shown in previous inve-stigations that no noteworthy demixing can be obser-ved [5]. The excitation by laser light can be realized byusing light at a wavelength of 248 nm， thus permit-ting the use of a KrF-Excimerlaser in combinationwith this tracer. The emission of light can be observedin a wavelength range around 300 nm [6]. For the applicability of the tracer on mixture forma-tion it was necessary to investigate on the linearity ofthe signal strength depending on the equivalenceratio. This dependency can be derived theoreticallyand was also confirmed by experiments on the opti-cal engine (Figure 3). This measurement series wasconducted with helium to allow high concentrationsof the measured gas. The results were converted tocorrespondent concentrations of hydrogen and sub-sequently to equivalence ratios. The concept for the quantification of mixture forma-tion measurements derives directly from these fin-dings， as the excellent linearity allows the applicationof a calibration routine for the complete measuredarea. This is done by using port injection to produce wurdenanschlieBendfur aquivalente Konzen-trationen von Wasser-stoff auf das entspre-chende Luft/Kraftstoff-Verhaltnis umgerech-net. Daraus ergibt sich dasKonzept zur Kalibrie-rung des Fluoreszenz-signals， um mit dieserMessmethode auchquantitative Aussagenuber die Kraftstoffver-teilung machen zu kon-nen.Hierfurwerdenzusatzlich zu den Mes-sungen mit Direktein-blasung Messungen mitauBerer Gemischbil- Abbildung 3：Linearer Zusammenhang des Kraftstoff/Luft-Verhaltnisses zurSignalintensitatFigure 3：Linear correlation of fuel/air-ratio to light intensity dung durchgefuhrt. Auf diese Weise kann eine homo-gene Ladung mit bekanntem Luft/Kraftstoff-Verhalt-nis erzeugt werden， welches fur jeden Bildpunkt dieErstellung einer Kalibriergeraden ermoglicht. Um denEinfluss； von Druck und weitgehend auch derTemperatur zu kompensieren， wird diese Kalibrie-rmessung fur jeden Kurbelwinkel durchgefuhrt.Zusatzlich wird auch fur jeden Messzeitpunkt einHintergrundbild im Schleppbetrieb aufgenommen，um damit sowohl das Hintergrundrauschen desKamerasystems als auch storende Reflexionen undFluoreszenzen eliminieren zu konnen. Als weitere Anwendung der Tracer-LIF Methode bie-tet sich neben der Anwendung bei der Gemischbil-dung auch der Einsatz zur Verbrennungsanalyse an.Dabei wird durch das Mitverbrennen des Tracers dieUnterscheidung in eine unverbrannte und eine ver-brannte Zone moglich. Eine Voraussetzung dafur isteine moglichst homogene Verteilung des Tracers imBrennraumzumZundzeitpunkt， wasbeieieinerZumischung zum Kraftstoff nicht in jedem Fall gege-ben ist. Auch ist hier die Frage zu klaren， ob das Ver-brennen des Tracers zeitgleich mit der Verbrennungdes Kraftstoffs stattfindet. Eine Untersuchung zurAnwendbarkeit eines solchen Verfahrens wird in wei-terer Folge vorgestellt. 2.2 Selektive LIF-Methoden Selektive LIF-Verfahren ermoglichen die direkteVisualisierung einzelner Molekule und Reaktions-zwischenprodukte. Vor allem zur Detektion derFlammenfront ist dieses Verfahren geeignet， indemVerbrennungszwischenprodukte wie Formaldehydoder das OH-Radikal angeregt werden. Aufgrund desFehlens von Kohlenstoff bei der Verbrennung von rei-nem Wasserstoff kommt in diesem Fall nur dasVerfahren der OH-LIF in Frage. Das OH-Radikal verfugt uber zahlreiche moglicheEnergieubergange und somit eine groBe Anzahl mog-licher Anregungswellenlangen， mehrere davon lie-gen auch im Bereich von 248，0 bis 248，8 nm， welchermit dem am Institut vorhandenen abstimmbarenExcimer-Lasersystem darstellbar ist. Die Eignung die-ses Verfahrens und die Gegenuberstellung mit Tracer-LIF-Methoden zur Markierung der Flammenfront stel-len einen Schwerpunkt dieses Beitrags dar. 3 Versuchsaufbau 3.1 Optischer Motor Die Versuche wurden an einem Einzylinder-For-schungsmotor durchgefuhrt， dieser bietet optischeZugange uber einen Glasring unterhalbddesZylinderkopfes und einen Glaseinsatz im Kolben.Uber den Glasring mit einer Minimalhohe von 44 mmermoglicht ein Einblick in die obere Halfte desBrennraums. Um auch eine vollstandige Sicht aufden Bereich um Zundkerze und Injektor zu erhalten，ist der Glasring entsprechend der Dachkonturgeformt (Abbildung 4). to eliminate noise of the camera system and unwan-ted reflection and fluorescence phenomena. Yet another application of the Tracer-LIF method canbe found in the analysis of the combustion process.As the Tracer consists of hydrocarbons， it burnstogether with the hydrogen， which allows the defini-tion of a burnt and an unburnt zone. The preconditionfor this method is a homogeneous distribution of tra-cer within the combustion chamber at ignition point，but this can not be achieved in every operating pointwhen keeping in mind that the tracer is added to thefuel. Another limitation of this method is the uncer-tainty whether or not the tracer burns at the sametime as the hydrogen， which could possibly lead toinaccuracies in defining the flame front. Investiga-tions on this topic are also presented in this article. 2.2 Selective LIF-methods The direct visualization of specific molecules orradi-cals is made possible by means of selective LIF-tech-niques. These methods are especially viable for thedetection of the flame front， which is done by excitingspecies like formaldehyde or the hydroxyl-radical.Due to the lack of carbon in the combustion of hydro-gen， only the OH-LIF method is viable. The OH-radical has several possible energy transi-tions and therefore it is excitable by various wave-lengths. Some of them are situated within the rangeof 248.0 to 248.8 nm， which corresponds to the wave-lengths the existing laser system at the institute isable to provide. The applicability of this techniqueand a comparison to the Tracer-LIF method for thevisualization of the flame front described above isone of the focuses of this article. 3 Experimental setup 3.1 Optical engine The investigations were carried out on a single-cylin-der research engine which allows optical accessthrough a glass cylinder below the cylinder head andthrough a window in the piston. The glass cylinderhas a minimum height of 44 mm and thus allowsinsight into the upper half of the combustion cham-ber. The glass cylinder is formed according to thepent-roof contour to achieve full visibility of the areaaround the spark plug and the injector tip (Figure4). 3.2 Beam path Abbildung 4：Zylinderkopf mit Glasring und optische Zugange zum BrennraumFigure 4： Cylinder head with optical access into the combustion chamber In order to achieve anoptimized illuminationoftithe combustionchamber for each crankangle it is necessary tosplit the laser beam intotwo single beams. In theconfiguration currentlyused， one beam passesthrough the glass ring，the other through thewindow in the piston.The twobeams areexpanded in one direc-tionandaligneddinorder to form a verticallight sheet incorpora-ting the cylinder axisand perpendicular to thecrank axle. The planetherefore illuminated liegt senkrecht und im rechten Winkel zur Motorachseund beleuchtet somit die Teilungsebene， in derZundkerzeundInjektor inbeidenmoglichenPositionen (seitlich und zentral neben der Zundkerze)liegen. Die komplette Strahlfuhrung ist in Abbildung5 dargestellt. 3.2.1 Lasersystem Fur diese Untersuchungen kommt ein Excimer-Lasersystem der Firma Lambda Physik， Typ Compex includes the two injector positions (central and side)and the spark plug. The complete beam path isshown in Figure 5. 3.2.1 Laser The investigations were carried out employing anexcimer laser system by Lambda Physik， model Com- 150T zum Einsatz.Durchden speziellen Aufbau，bestehend aus einerabstimmbaren Oszil-lator- und einer Verstar-kerrohre， kannndabeiLaserlicht mit einerBandbreite von <3 pm ineinem Verstellbereichvon 0，8 nm erzeugt wer-den， was die Grundvor-aussetzung fur selektiveLIF-Methoden ist. Beialleinigem Betrieb mitder Verstarkerrohre istdie Erzeugung von UV-Laserlicht mit Pulsener-gien >400 mJ moglich，wasseinen effizientenEinsatz beiTTracer-LIFermoglicht. Der Aufbaudes Lasersystems ist inAbbildung 6 dargestellt. 3.2.2 Kamerasystem Zum Einsatz kommt einKamerasystem der Fir-ma LaVision， bestehend Prinzip Compex 150TFigure 6： pex 150T. With its spe-cial layout constitutedby two separate lasertubes(oscillatorandamplifier) it is capableof providing laser lightwith very narrowbandwidth of<3pmwithin a range of 0.8 nm-a precondition for thesuitability for selectiveLIFFmethods. Whenusing the amplifier tubeonly， it is possible toproduce UV laser lightwithmaximum pulseenergies of more than400 mJ， which allowsthe efficientituseforTracer-LIF techniques.The layoutoffthesystem is shown inFigure 6. 3.2.2 Camera The camera systemutilized for the measure-ments is a modular aus einer gekuhlten CCD-Kamera des Typs Imager 3smit einem vorgeschalteten Bildverstarker Typ IRO.Die Quanteneffizienz des Bildverstarkers betragt ca.15 % bei 300 nm. Um Streulicht des Lasers undEigenleuchten der Verbrennung zu filtern， ist bei denhier behandelten Messverfahren ein Bandpass-Filtermit einer Transmission bei 307±25 nm vorgeschaltet. 4 Gemischbildungsuntersuchungen Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Was-serstoff - im Speziellen der weiten Zundgrenzen -sind im Vergleich zu anderen Otto-Kraftstoffen weit-aus groBere Freiheiten bei der Gemischbildung gege-ben. Daraus ergeben sich zahlreiche Moglichkeitenzur Optimierung des Brennverfahrens， ausgehendvon einem homogenen Gemisch sind hier unzahligeVarianten zur Gemischschichtung denkbar. lm Vergleich zu Benzinmotoren mit Direkteinsprit-zung ergibt sich im Wasserstoffmotor allerdings eineunterschiedliche Motivation fur geschichtete Brenn-verfahren.Wahrend bei Benzinmotoren die Erzielungeines zundfahigen Gemisches an der Zundkerze imVordergrund steht， ist dies bei Wasserstoff aufgrundder extremen Magerlauffahigkeit weniger kritisch.Hier liegt der Schwerpunkt auf der Verringerung desWandwarmeubergangs， da bereits in fruheren Unter-suchungen gezeigt werden konnte， dass dieser spur-bar hoher liegt kann als im Benzinbetrieb und somiteinen deutlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad dar-stellt [7]. Wie bei Benzin-DI-Motoren sind auch im Wasser-stoffmotor mit Direkteinblasung wandgefuhrte， luft-gefuhrte und strahlgefuhrte Verfahren moglich. Ab-hangig vom Betriebspunkt kann allerdings auch dieErzeugung einer homogener Ladungen sinnvoll sein[8]. Im Folgenden soll die Darstellbarkeit dieser Ge-mischbildungsvarianten in unterschiedlichen Kon-figurationen beschrieben werden. Eine groBe He-rausforderung stellen hier die bei der Hochdruck-Direkteinblasung kritischen Druckverhaltnisse in denDusenquerschnitten dar， welche zu sehr hohen Ein-dringgeschwindigkeiten fuhren und damit erschwerteRandbedingungen fur die Erzielung eines geschichte-ten Gemisches ergeben. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf Positionierungund Gestaltung der Dusenspitze und somit desEinblasestrahls， sowie als weiterem Hauptparameterauf dem Einblasezeitpunkt. Anhand ausgewahlterErgebnisse sollen die Auswirkungen dieser Variatio-nen bei einer konstanten Drehzahl von 1000 min-1beschrieben werden. 4.1 Methodik Wie in 2.1 beschrieben， kommt fur die Gemischbil-dungsuntersuchungen die Methode der Tracer-LIF zurAnwendung. Der Tracer TEA wird dafur in einerKonzentration von 200 ppm zum Wasserstoff zuge-mischt. Um das fur die Signalkalibrierung notwendi-ge homogene Gemisch im Brennraum zu erzielen，wurde zusatzlich zur inneren Gemischbildung ein system by LaVision， consisting of a cooled CCD-camera (model Imager 3s) and an image intensifier(model IRO). The quantum efficiency of the intensifieris approx. 15 % at 300 nm. A bandpass filter (307±25nm) is installed in front of the camera to block unwan-ted scattered light and chemiluminiscence derivingfrom the combustion. 4 Investigations on mixture formation Due to its specific properties - in particular the wideignition limits- hydrogen offers far more degrees offreedom in conceptualizing the mixing process thanany other fuel. This leads to a wide range of possibi-lities for the optimization of the combustion process.Starting from a homogeneous charge every variant ofstratification is conceivable. Compared to direct-injection gasoline engines， thecombustion process for hydrogen engines leads todifferent motivations for a stratified charge. While themain motivation in gasoline engines is the provisionof an ignitable charge around the spark plug this is ofminor concern with hydrogen due to the wide igni-tion limits. Here the focus is on reducing the wall heatflux， as previous investigations have already shownthat it can be significantly higher than in gasolineoperation and therefore has an even bigger influenceon the overall efficiency [7]. As well as in direct-injection gasoline engines， allvariants like wall-guided， air-guided， and jet-guidedstratification are thinkable for hydrogen， but alsohomogeneous charges can be favorable for certainoperating points [8]. In the following， the feasibility ofthese concepts with different configurations will beinvestigated. One of the biggest challenges with high-pressure injection of hydrogen is the critical pressure-ratio in the nozzle， which leads to very high penetra-tion speeds， thus complicating the realization of aproperly stratified charge. The focus therefore lies on the geometry and positio-ning of the injector nozzle and therefore the jet， whichrepresent， together with the variation of the injectiontiming， the major influences on the mixture forma-tion. These influences are displayed by showingrepresentative results at a constant engine speed of1000 rpm. 4.1 Methodology As described in 2.1 the method employed for measu-ring the mixture formation is Tracer-LIF. The TracerTEA is mixed with hydrogen at a concentration of 200ppm. In order to achieve the homogeneous chargenecessary for the calibration of the signal， an injec-tion unit is installed in the intake manifold additional-ly to the Dl-injectors. Due to the comparatively long Einblaseorgan im Saugrohr verwendet. Durch denrelativ groBen Abstand zwischen Einblasestelle undEinlassventil wird eine gute Durchmischung mit derAnsaugluft erzielt. Um eine moglichst hohe Bildqua-litat zu erreichen， werden 50 Bilder fur eine Kurbel-stellung aufgenommen und anschlieBend gemittelt.Dies geschieht jeweils fur die Aufnahme des Mess-bildes， des Kalibrierbildes und eines Bildes des Hin-tergrundrauschen， welches anschlieBend von denanderen Bildern subtrahiert wird. Die Schrittweite derAufnahme betragt wahrend der Einblasung 1° KW， imweiteren Verlauf 1-10°KW bis zum Erreichen desZundzeitpunkts. 4.2 Eignung fur strahlgefuhrte Verfahren Durch die geringe Dichte des Wasserstoffs ist vorallem in hoheren Lastpunkten eine relativ langeEinblasedauer notig， um die erforderliche Masse inden Brennraum einzubringen. Zusammen mit derhohen Eindringgeschwindigkeit der Wasserstoff-strahlen ergeben sich somit hohe Anforderungen andie Darstellbarkeit strahlgefuhrter Verfahren. Das Zielist es daher， eine stillstehende oder sich langsambewegende Kraftstoffwolke im gewunschten Bereichzu platzieren. Ob und wie dies erreicht werden kann，soll im Folgenden anhand ausgewahlter Ergebnisseerlautert werden. 4.2.1 Eindringgeschwindigkeit desWasserstoffstrahls Die hohe Geschwindigkeit des Wasserstoffstrahlsresultiert aus dem uberkritischen Druckverhaltnis inden AustrittsoffnungenderrDuse. DielegroBten Geschwindigkeiten tre-ten dabei durch die Ex-pansion desWasser-stoffs auf den niedrige-ren Brennraumdruckauf， wobei Spitzen biszu3000 m/s erreichtwerden. Der hohe Ein-blasedruck ergibt sicheinerseits aus demWunsch nach moglichstkurzen Einblasedauernund damit einem mog-lichsthohen Massen-strom bei der Einbla-sung und andererseitsderForderungnacheiner vom Zylinderdruckunabhangigen Einbla-semenge. Beispielhaftist in Abbildung Z dasEindringverhaltendesStrahls bei fruher Ein-blasung (EB 120°vOT)，einer Drehzahl von 1000min-1 und einem Last-punkt von pj=3 bar dar-gestellt， der Vordruckbetragt 140 bar. Penetration speed， injector with 1 bore distance between the port-injection unit and the in-take valves， a well homogenized mixture with theintake air is achieved. For an optimized quality of theresults， a series of images is recorded for each crankangle， with 50 images for the results， the calibrationand the background noise respectively. These recor-dings are averaged. The background noise then issubtracted from the averaged recordings of bothdirect-injection and port-injection. Finally the resultsof direct-injection are calibrated with the images of ahomogeneous charge. The increment of each timestep is between 1°CA during injection and 10°CAlater on， up to the ignition point. 4.2 Suitability of hydrogen for jet-guidedstratification Due to the low density of hydrogen the injection ofthe necessary amount of fuel takes a long time com-pared to liquid fuels. Together with the high penetra-tion speeds of the jet this poses a special challengefor the feasibility of jet-guided concepts. Thereforethe goal has to be to provide a stagnant or only slow-ly moving cloud of hydrogen in the designated area.In the following it will be described how this couldpossibly be achieved. 4.2.1 Penetration speed of the hydrogen jet The demand for minimum injection time and there-fore maximum mass flux on the one hand and theneed for injection mass which is independent fromthe in-cylinder pressure on the other hand leads to the need for a highhydrogen back pressu-re. As already mentio-ned， the resulting super-critical pressure ratio atthe injector nozzleresults in very high jetspeeds at the bores. Thehighest speed is causedby the expansion ofhydrogen to the in-cylin-der pressure and canreach up to 3000 m/s. InFigure 7 the behavior ofthe jet is displayed forearly injection (SO/ 120°bTDC) and IMEP=3 bar.The back pressure ofhydrogen is at 140 bar. /t can be seen that inthis configuration it isnearly impossible toplace the hydrogen inone certain area due tothe highi penetrationspeed of the jet. Alreadyat 4°CA after SOl， thetip of the jet reaches the Es zeigt sich， dass indieserKonfigurationdurch die hohe Strahl-geschwindigkeit die ein-fache Platzierung einesEinblasestrahls kaummoglich ist. Bereits zueinem Zeitpunkt 4°KWnach Beginn der Einbla-sung erreicht der Strahldie gegenuberliegendeBrennraumwand.l. tBe-reits bei diesem niedri-gen Lastpunkt mit einervergleichsweise sehrkurzen Einblasedauerliegt diese also weituber der Zeit， die derStrahl benotigt um denBrennraum zu durch-queren. Einer derSchwerpunkte der Ent-wicklungsarbeit mussalso sein， uber verschie-dene MaBnahmen dieEindringgeschwindig-keit des Strahls zu ver-ringern. 4.2.2 Influence ofnumber ofbores Eine Moglichkeit，，umEinflussbauf dieEin-dringtiefe zu nehmenbesteht darin， die Loch-geometrie des Injektorszu modifizieren. Vor al-lem bei einer Erhohung Abbildung 8：Vergleich Einblasung Einlochduse (links)， Mehrlochduse (rechts)Figure 8：Comparison nozzle geometries： 1 bore (left)， 8 bores (right) der Lochzahl ergibt sich eine erhohte Wandreibung inden Dusenbohrungen aufgrundldeserhohtenOberflachen/Volumen-Verhaltnisses. Des Weiteren6esfindet aus ahnlichen Grunden auch eine verstarkteAbbremsung der Einzelstrahlen nach dem Eintritt inden Brennraum statt. Um diesen Einfluss zu untersu-chen， wurde der bereits vorher dargestellte Einloch-Injektor mit einem Injektor ahnlichen Querschnittsund einer Lochanzahl von 8 verglichen. In Abbildung8 ist die Gegenuberstellung der beiden Injektoren beifruher Einblasung (EB 120°vOT) dargestellt. DieDrehzahl betragt in beiden Fallen 1000 min-1. Deutlich zu erkennen sind hier sowohl die Unter-schiede in der Eindringtiefe als auch in der Breite desStrahls. Zu jedem betrachteten Zeitpunkt ist derStrahl der Einlochduse weiter eingedrungen als derder Mehrlochduse. Allerdings ist erkennbar， dassauch bei der Mehrloch-Variante sich der Strahl auf-grund des Coanda-Effektszu einem gemeinsamenStrahl zusammenzieht [9] und sich analog zu derGrundvariante an die Brennraumwand anlegt. Auchist trotz einer Verringerung der Geschwindigkeit derZeitraum zwischen Einblasebeginn und Erreichen der the number of nozzle bores results in an additionalside-friction within the bores due to the increasedsurface/volume-ratio. Additionally， the decelerationof the injected gas within the combustion chamber isincreased for similar reasons. In order to investigatethese effects in a real engine， the injector describedbefore and a variant with 8 bores with a comparabletotal cross section were compared. Figure 8 showsthe comparison of these two variants for the case ofearly injection (SOI 120° bTDC) at an engine speed of1000 rpm. In these images significant differences in penetrationdepth and width of the jet can be seen. For each crankangle observed the jet of the nozzle with one bore haspenetrated more deeply into the combustion cham-ber than it has with the other variant. At the sametime it can be seen that， due to the Coanda-effectwhich leads to a contraction of separate jets to onesingle jet [9]， the overall impression of the jet’s be-havior is similar for both variants. Again， the time bet-ween SOl and the moment when the tip of the jetreaches the opposite wall is much shorter than theinjection time， even though the jet is now slower than gegenuberliegenden Wand noch um vieles kurzer alsdie gesamte Einblasedauer. Alleine durch eine Er-hohung der Lochanzahl ist es also in dieser Konfigu-ration kaum moglich， ein rein strahlgefuhrtes Schich-tungsverfahren darzustellen. Um dieses Verfahrenmoglich zu machen ware es also notwendig， entwe-der die Strahlgeschwindigkeit noch einmal drastischzu verringern oder die Offnungszeit des Injektorsdeutlich zu verkurzen. 4.3 Darstellbarkeit wandgefuhrterVerfahren Eine weitere Moglichkeit zur Erzielung einer Ladungs-schichtung stellt analog zum Benzin-DI-Motor dieWandfuhrung des Kraftstoffs dar. Gasformige Kraft-stoffe haben hier sogar den grundlegenden Vorteil，dass es nicht zu unerwunschten Wandanlagerungs-und Abdampfphanomenen kommen kann. Die Motivation fur ein solches Verfahren ist es， einer-seits die Wasserstoffwolke zur Zundkerze zu fuhren.Andererseits konnte aber durch ein Aufprallen aufeine Wand uber eine Verwirbelung der Impuls desStrahls verringert und auch der Weg zwischenInjektor und Zundkerze verlangert werden. Damitware es moglich， das Zeitfenster fur die Einblasungzu verlangern， womit die Anforderungen an dieEinblaseausrustung beherrschbarer waren. Aufgrund des hohen technischen Aufwands zurRealisierung eines Muldenkolbens fur den Trans-parentmotor wurde in einem ersten Schritt die Um-lenkung eines Wasserstoffstrahls an einer Flache Abbildung 9：Umlenkung des Wasserstoffstrahls am KolbenbodenFigure ：Redirection of the hydrogen jet at the piston im weiteren Verlauf des Abstromens bildet sich abernur eine dunne Wasserstoffschicht aus， die denKolben entlangstromt. Der Wunsch， die Ausbreitungdes Strahls in Richtung der Quetschspalte zu verzo-gern，wurde im ersten Schritt erreicht. Durch die rela-tiv geringe Aufweitung des Strahls nach dedemAuftreffen auf der Wand wird allerdingss eineSchichtung mit zundfahigem GemischanderZundkerze nicht erreicht. Fur ein entsprechendes wandgefuhrtes Verfahrenmuss also der Kolben mit einer Mulde ausgefuhrtwerden - zu beachten wird dabei allerdings der nachhinten stromende Anteil des Wasserstoffs sein.Auftreffwinkel und Geometrie der Kolbenmulde mus-sen also einen Kompromiss zwischen moglichst gro-Ber Geometrieverlangerung， guter Verringerung desEindringimpulses und bestmoglicher Vermeidungeines nach hinten stromenden Teils des Wasserstoffsdarstellen. Eine wichtige Rolle wird hier vor allem der3D-CFD-Simulation zukommen， um diese Geometrienzu optimieren bevor weitere experimentelle Unter-suchungen sinnvoll durchgefuhrt werden konnen. 4.4 Luftgefuhrte Verfahren Auf Basis umfangreicher Simulationsuntersuchun-gen [9] kann gesagt werden， dass die Moglichkeitenausgefuhrter Systeme zur Erzeugung von Drall- undTumblestromungen kaum in der Lage waren， denWasserstoffstrahl bei Hochdruckeinblasung signifi-kant zu beeinflussen. Zur Erreichung einer geschich-teten Ladung kann dieses Verfahren also bestenfallsunterstutzend wirksam werden， daher wird diesesThema in diesem Artikel nicht tiefergehend behan-delt. 5 Methoden zur Analyse derWasserstoffverbrennung Zur Analyse der Verbrennung stehen- auch abhangigvon der gesuchten MessgroBe - zahlreiche optischeMessverfahren zur Verfugung. Das Hauptaugenmerkder vorliegenden Untersuchungen lag dabei bisherauf der Ausbreitung der Flammenfront. Hierfur bietetsich， neben der einfachen Messung der Chemilumi-niszenz， also des Eigenleuchtens der Flamme， wiede-rum die Methode der laserinduzierten Fluoreszenz an.Ein Hauptvorteil liegt hier， wie bei der Gemischbil-dung， in der Lichtschnitttechnik begrundet， die einegenaue ortliche Zuordnung der Messwerte ermog-licht.Auch hier konnen Tracerverfahren zum Einsatzkommen， sowie die OH-LIF-Methode wie in 2.2beschrieben. Auf die spezielle Anwendung dieserVerfahren und deren Verwendbarkeit am Wasserstoff-motor wird im Folgenden naher eingegangen. 5.1 Laserinduzierte Fluoreszenz desOH-Radikals im Wasserstoffmotor Das OH-Radikal ist ein haufig genutzter Indikator furdas Passieren der Flamme， da durch den sehr starkenAnstieg der OH-Konzentration in der Flammenfrontder Beginn der Verbrennung sehr klar definiert wer- slow down the distribution of hydrogen towards thequenching zone， could be achieved. As the cloud ofhydrogen stays very compact even after the impacton the piston it is hard to achieve an ignitable mix-ture at the spark plug in this configuration. In order to properly realize a wall-guided stratificationconcept it is indispensable to employ a piston bowl，which also has to take into account the mass fractionof the jet redirected backwards. Summarizing it can be said that an optimization ofsuch a concept has to include primarily the definitionof the impact angle of the jet and the geometry of thebowl. The goals have to be to expand the distance tothe spark plug as much as possible and to reduce theamount of hydrogen redirected into unwanted direc-tions to a minimum. In this case the main work willhave to be done by 3D-CFD-simulation before furtherexperimental test can be carried out. 4.4 Air-guided concepts Extensive investigations with 3D-CFD-simulation [9]have shown that the hydrogen jet can only be influen-ced to a minor degree by tumble or swirl， at least byemploying conventional systems as used in today'sengines. In order to achieve a stratification， the move-ment of the charge can only play a supporting role forother employed measures， thus no it is not investiga-ted in more detail within this article. 5 Methods for the analysis of thecombustion of hydrogen Several optical measurement methods - also depen-ding on the measurand- are applicable for the analy-sis of the combustion process. In this publication， thefocus is on the propagation of the flame front.Therefore， besides simply recording the chemilumini-scence of the flame， several variants of the laser-induced fluorescence are viable for the visualizationof the flame front. A main advantage of the LIF-methods is the use of a light sheet， which allows two-dimensional imaging with a clearly defined localiza-tion of result. One possibility to visualize the flamefront is the use of a tracer， the other one is the OH-LIF-technique as described in 2.2. The usability of thesemethods will be looked at in more detail in the follo-wing. 5.1 Laser-induced fluorescence of theOH-radical in the hydrogen engine The OH-radical is a commonly used indicator for thepassing of the flame front， as its concentration risessteeply in the flame front at the start of the reactions，making it easy to define the combustion [10]. den kannn[10]. Aller-dings ist es notwendig，die genaue Position derResonanzwellenlangeuber einen Wellenlan-gen-Scan innerhalb derLaserbandbreite zu fin-den. Da dieser Einstellvor-gang einerseits am opti-schen Motor aufgrundder immer wieder not-wendigen Abkuhlpha-sen mehrere Stunden inAnspruch nehmen kannund andererseits regel-maBig durchgefuhrtwerden muss， war esnotwendig eine Metho- Figure 10： Excitation spectrum of the OH-radical However， in order tofind the exact position ofresonance wavelength itis necessary to performa wavelength scan wit-hin the laser bandwidth.This calibration processcan take several hourson the optical engine -due to the time necessa-ry for cooling down theengine between measu-rements- and has to bedone at regular inter-vals. Thereforeei1 ismore practical to deve-lop a method for calibra-ting the wavelengthwith the aid of a smallburner， thus reducing de zu entwickeIn， um mit Hilfe eines Kalibrierbren-ners diesen Vorgang drastisch zu verkurzen. InAbbildung 10 ist die Leuchtintensitat des OH-Radikalsuber der Schrittmotorposition des Lasers - diesebestimmt die Wellenlange des Laserlichts - bei einemtypischen Kalibriervorgang dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen， dass sich die beiden dar-gestellten Spektren deutlich unterscheiden， was aufunterschiedliche Randbedingungen zuruckzufuhrenist. Die hoheren Drucke und Temperaturen im Brenn-raum fuhren zu einer Verbreiterung der Anregungs-spitzen， aber auch zu einer Verschiebung ihrer Wel-lenlangen.Da diese Unterschiede aber reproduzier-bar sind， besteht die Moglichkeit， nach einem Scandes Spektrums am Kalibrierbrenner die Wellenlangefur den Motor auf einen definierten Versatz vomMaximalwert der Untersuchungen am Brenner einzu-stellen. Dadurch ist im Motor nur die Feineinstellungdes Wellenlangenwertes notwendig und es kann dieGesamtdauer des Kalibriervorgangs auf etwa 30Minuten verkurzt werden.Vor allem der Wechsel vombreitbandigenLaserbetrieb fur Tracer-LIFzumschmalbandigen Betrieb fur OH-LIF stellt aber immernoch einen erheblichen zeitlichen Aufwand darDeswegen dient dieses Verfahren vor allem als Re-ferenz und wird dort eingesetzt， wo andere Verfahrenan ihre Grenzen stoBen. 5.2 Flammenfrontmessung uberTracerverfahren Bei der Detektion der Flammenfront mittels Tracer-verfahren wird die verbrannte Zone durch dasVerschwinden des Fluoreszenzsignals aufgrund desVerbrennens des Tracers detektiert. Dadurch wird esmoglich， die Flammenfront zu definieren. Der Tracerwird wie bei den Gemischbildungsuntersuchungendem Wasserstoff zugemischt. Der Hauptvorteil istdabei， dass der Versuchsaufbau ohne Anderung uber-nommen werden kann， wodurch sich eine deutlicheVerringerung der Mess- und Vorbereitungsdauer imVergleich zu OH-LIF ergibt. Das hat weiters denVorteil， die Messungen in direkter zeitlicher Folge the required time drastically. Figure 10 shows thelight intensity of the OH-radical depending on theposition of the laser's stepping motor- which definesthe wavelength- for a typical calibration procedure. lt is clearly visible that the two spectra differ signifi-cantly， which can be attributed to different boundaryconditions for the burner and the combustion cham-ber. The higher pressure and temperature in the com-bustion chamber lead to a broadening and a shift ofthe resonance peaks. However， these differences arereproducible， therefore a resonance position foundwith the burner can be transferred to engine condi-tions with a defined offset. Together with some finetuning of the step motor position for engine measu-rements the whole calibration process can be shorte-ned to approximately 30 minutes. Nevertheless， thismeasurement technique is still rather time-consu-ming - especially changing the laser setup betweennarrowband and Tracer-LIF configuration - thereforethis technique is mainly used as a reference for othermethods or in cases forwhich tracer-methods can notdeliver satisfactory results. 5.2 Visualization of the flame front viaTracer-LIF When using tracer-LIF methods for the detection ofthe flame front the burnt zone is marked by the disap-pearance of the fluorescence signal with the burningof the tracer. Therefore it is possible to define a flamefront. For this method， the tracer is mixed to thehydrogen as it is for the investigations on mixture for-mation. The main advantage of this approach is thepossibility to change from mixture formation to com-bustion analysis without having to perform any pre-paratory work. This also results in a reduced timespan between the measurements， thus reducing theeffect of changing boundary conditions. Figure 11： Comparison of the methods tracer-LIFvs. OH-LIF：flame penetration for homogeneous charge The crucial point for theviability of this methodis，whether the tracerreally burns at the sametime as the fuel. Thisquestion was addressedin investigations with ahomogeneous charge inwhich both techniqueswere compared underequal conditions. Theresults of the measure-ments at an enginespeed of 1000 rpm and aair/fuel-ratio of 1.85 areshown in Figure 11. Whencomparingtheresults it has to be takeninto account that for tra-cer-LIF the burnt zone isdark， whereas for OH-LIF it is marked by fluo-rescence. It can be shown that， atthe given resolution ofthe camera， no signifi-cant difference betweentheetwomethods isobservable.Thereforethe method with tracer-LIF is applicable underthese conditions. losung keine signifikanten Unterschiede aufweisenund unter den gegebenen Bedingungen die Methodeder Kraftstofftracerung gut anwendbar ist. 5.3 Bewertung der Verfahren Von noch groBerem Interesse als die Untersuchunghomogener Gemische ist aber bei der Entwicklunginnovativer Wasserstoff-Brennverfahren die Analysedes Brennverhaltens im Schichtbetrieb. Um dieEignung der Kraftstofftracerung-Methode auch in die-sem Fall zu untersuchen， wurde analog zum vorhinbeschriebenen Vorgehen ein Betriebspunkt mit spaterEinblasung (EB 40°vOT) und entsprechend deutlichinhomogener Kraftstoffverteilung untersucht. DieMessung wurde bei 1000min-1 und einem globalenLuftverhaltnis von 入= 1，8 durchgefuhrt， die Ergebnis-se sind in Abbildung 12 dargestellt. Der Wasserstoffbefindet sich dabei groBteils auf der linken， auslass-seitigen Seite des Brennraums. Auch bei diesenAufnahmen ist im ersten Fall die verbrannte Zonedunkel und im Fall der OH-LIF hell. Grundsatzlich ist auch in diesem Fall mit der Methodeder Kraftstofftracerung die Ausbildung der verbrann-ten Zone zu detektieren. Allerdings wird der Kontrastan der Flammenfront einerseits aufgrund der hohe-ren zyklischen Schwankungen in diesem Betriebs-punkt deutlich verringert， andererseits ist es im wei-teren Verlauf der Verbrennung kaum mehr moglich， 5.3 Evaluation of the methods Naturally， when investigating innovative hydrogencombustion systems the combustion of stratifiedcharges is of even higher interest than the homoge-neous case. Therefore investigations were carried outto test the tracer-LIF method with a stratified charge.The operating point was similar to the case describedbefore with only SOl changed to 40° bTDC and sub-sequently an inhomogeneous fuel distribution at igni-tion. The measurements were carried out at 1000 rpm andwith an air/fuel-ratio of 1.8， the results are shown inFigure 12. The hydrogen is concentrated mainly at theexhaust side (left) of the combustion chamber.Again，for tracer-LIF the burnt zone is marked by a disappea-rance of fluorescence whereas for OH-LIF the burntzone is marked by the bright area. Also in this case， a general conclusion regarding theshape of the burnt zone can be obtained.However，the contrast between the two zones which defines theflame front is largely reduced by increased cyclic vari-ations. Additionally， in the course of the combustionit becomes increasingly difficult to distinguish bet-ween the burnt zone and areas without hydrogen. zwischen verbrannterZone und Zonen ohneWasserstoff zuunter-scheiden. Zusammenfassend lasstsich sagen， dass die Me-thode der Kraftstofftra-cerung bei der Verbren-nungsanalyse eine effi-ziente und einfache Al-ternative zur direktenFlammenanalyse dar-stellt. Bei sehr stark ge-schichtetem Betriebstellt allerdings die Me-thode der OH-LIF trotzdes hoheren Aufwandsdie sinnvollere Variantefur eingehende Unter-suchungen dar. 6 Ergebnisse derVerbrennungs-analyse Ziel dieser Untersu-chungenist es， dieHaupteinflussparameterauf die Verbrennung zuidentifizieren und damitdie Basis fur optimierte Abbildung 12： Vergleich der Verfahren OH-LIF， Kraftstofftracerung：Flammenausbreitung bei geschichteter LadungFigure 12： Comparison of the methods tracer-LIF vs. OH-LIF：flame penetration for stratified charge As a conclusion， it canbe said that using a tra-cerrfor marking theflame front is an effi-cient and easily applica-ble method for directlyanalyzing the flamefront. However，rwheninvestigating on opera-ting points with a stron-gly inhomogeneous fueldistribution it is morereasonable to use theOH-LIF methodeeventhough its complexity ismuch higher. 6 Results ofcombustionanalysis The main goal of theseinvestigations is to iden-tify the major parame-ters which influence thecombustion within theengine and thus buil- LIF. Abbildung 13：Flammenausbreitung bei homogenem Gemisch， OH-LIFFigure 13：Flame penetration for homogeneous charge， OH-LIF Theseeimagessclearlyshow theiuniformspread of the propaga-tion of the flame front inall directions. On thisbasis an averaged pene-tration depth in threedirections (parallel tothe walls of the pentroof and vertically) wascalculated. By perfor-ming this for all measu-red crank angles it ispossible to derive thespeed of the flame frontduring combustion. Abbildung 14：Vergleich der Flammengeschwindigkeit S fur AGB， DIFigure 14：Comparison of turbulent flame speed s for PI， DI durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit derFlamme ermittelt werden. Diese Methode wurde auch verwendet， um den Ein-fluss der Direkteinblasung auf die Brenngeschwin-digkeit zu ermitteln. Fur diese Untersuchung wurdeder Motor gedrosselt betrieben， um sowohl bei auBe-rer als auch bei innerer Gemischbildung eine gleicheZylinderfullung zu erzielen. Die Ergebnisse sind inAbbildung14 dargestellt， der Betriebspunkt liegt bei1000 min-1 und einem Luftverhaltnis von入=1，5. Trotz annahernd gleicher Randbedingungen ist alsobei der inneren Gemischbildung eine deutlich hohereFlammengeschwindigkeit zu verzeichnen. Zuruck-zufuhren ist dies auf das hohe Turbulenzniveau， dasdurch die hohen Eindringgeschwindgkeiten des Was-serstoffs bei Hochdruckeinblasung verursacht wird.Da besonders in Richtung stochiometrischer Ge-mische die Flammengeschwindigkeit noch weiteransteigt [11]， erscheint es sinnvoll， das Turbulenz-niveau und damit die turbulente Flammengeschwin-digkeiten eher zu verringern.Im hoherlastigen Be-trieb konnen ansonsten die groBen Druckgradientenund damit erhohten Verbrennungstemperaturen zueinem erhohten Verbrennungsgerausch und demRisiko von Klopfen fuhren [3]. 6.2 Verbrennung im Schichtbetrieb Um den Einfluss der Gemischbildung grundsatzlichzu untersuchen，kommt eine Motorkonfiguration mitseitlicher Injektorlage zum Einsatz. Bei spatem Ein-blasebeginn (40°vOT) ist es damit moglich，eine sehrausgepragte Schichtung des Kraftstoffs auf der demInjektor gegenuberliegenden Brennraumseite zuerzeugen. Die Auswirkungen einer solchen Einblase-strategie sind in Abbildung 15 zu sehen， der Be-triebspunkt liegt bei 1000 min-1 und einem globalenLuftverhaltnis von入=1，8. Die Ausbreitung der Flamme in Richtung des fetterenGemisches auf der Auslassseite (links) erfolgt zuBeginn der Verbrennung sehr schnell， es ist vor allementlang des Brennraumdachs eine hohe Ausbrei- injection on the flame speed. For this investigationthe engine was operated with a throttle in Dl-mode toachieve the same in-cylinder mass for both cases.The results are shown in Figure 14， the engine wasoperated at 1000 rpm with an air/fuel ratio of 1.5. Despite approximately identical boundary conditionsthe flame speed is higher when running the enginewith direct injection. This can be attributed to a higherlevel of turbulence caused by high jet speeds due tothe high-pressure direct-injection. As the flame speedis already significantly higher for hydrogen than forother fuels-especially when operating near or at sto-ichiometric air-fuel-ratio[11]- it is favorable to ratherreduce the level of turbulence and therefore the flamespeed. Especially at higher loads the resulting largegradients of pressure and the high temperaturesotherwise can lead to an increased risk of combustionanomalies and knocking [3]. 6.2 Combustion in stratified mode To investigate the influence of mixture formation anengine configuration with the injector positioned atthe side of the combustion chamber was chosen.With late injection (SOI 40°bTDC) it is possible toachieve a distinctly inhomogeneous charge with thefuel concentrated opposite the injector. The effects ofthis mixing strategy are presented in Figure 15， theengine was operated at 1000 rpm and an overallair/fuel-ratio of 1.8. At the beginning the flame propagates quicklytowards the exhaust side (left) where the fuel richmixture is positioned. Especially along the wall of thepent roof a very high flame speed can be observed.Furthermore the flame reaches the quenching zone tungsgeschwindigkeitzu erkennen. Im weite-ren Verlauf der Verbren-nung wird auf der linkenSeite die Quetschflacheerreicht， wahrend aufder rechten Seite desBrennraums in der Be-obachtungsebene keineReaktionen stattfinden.Die durch die Einbla-sung hervorgerufeneLadungsbewegung be-wirkt allerdings， dassbei seitlicher Injektor-lage derrWasserstoffentlang der Brenn-raumwandumgelenktwird und somit wahrenddes Verbrennungsvor-gangs brennender Was-serstoff in die Beobach-tungsebene eintritt. Diesist deutlichan einerplotzlich auftretendenDetektion groBererMengenh vonOH-Ra-dikalen in der rechtenBrennraumhalfte er- Abbildung 15： Gemischzusammensetzung zum ZZP (TDC)， Flammenausbreitung beiSchichtbetrieb (03°aTDC bis 25°aTDC)Figure 15： Mixture formation at IP (TDC)， flame propagation in stratified mode(03°aTDC to 25°aTDC) sichtlich (15°nOT). Auf- on the left side， whereasno combustion can beobserved on the righthand side of the image.However， thee chargemotion induced by theinjectionleadsto atransfer of burning gasalong the cylinder wallwhich enters the lightsheet afew degreeslater. Therefore it is alsopossible to detect OH-radicals onthe righthandside later onduring combustion(approx. 15°aTDC). Dueto these results this vari-ant of stratification hasto be evaluated negati-vely， as the combustionis very unevenly distri-buted. A large portion ofthe reaction takes placenear the walls whichimpliesan increasedwall heat loss and a cer-tain amount of unburnthydrogen. grund dieser Ergebnisse muss diese Schichtungsva-riante eher negativ bewertet werden， da einerseitseine sehr ungleich verteilte Verbrennung stattfindetund andererseits ein GroBteil der Verbrennungsvor-gange in Wandnahe stattfindet und somit ein erhoh-ter Wandwarmeverlust und eine unvollstandigeVerbrennung zu erwarten sind. 7 Schlussfolgerungen und Ausblick Der optische Motor im Zusammenspiel mit laseropti-schen Messmethoden hat sich als sehr nutzliches undeffektives Werkzeug zur Analyse und Optimierungvon Wasserstoff-Brennverfahren erwiesen. Die lase-rinduzierte Fluoreszenz stellt dabei eine sehr aussa-gekraftige und vielseitig einsetzbare Methode in derBrennverfahrensentwicklung dar. Der gefeuerte Be-trieb am verwendeten Transparentmotor ermoglichtdabei die Aufnahme realistischer und gut ubertragba-rer Ergebnisse. Ein Ziel konnte damit erreicht werden， dass Anwen-dungen sowohl zur quantitativen Messung der Ge-mischbildung als auch zur effizienten Verbrennungs-analyse entwickelt wurden. Damit werden Grund-satzuntersuchungen mōglich， bei denen Einflusseeinzelner Parameter auf Gemischbildung und Ver-brennung entkoppelt ermittelt werden konnen. Wei-ters erlauben die vorgestellten Methoden， effizientneue Konfigurationen und Gemischbildungsstrate-gien hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das gesam-te Brennverfahren zu untersuchen. 7 Conclusions and outlook The optical engine in combination with laser measu-rement techniques has shown its great potential toact as an effective tool for analyzing and optimizinghydrogen combustion systems. IThe laser-inducedfluorescence has been proven a very versatile anduseful method in the development of new combus-tion processes. The possibility of operating the opti-cal engine to run in fired mode has lead to realisticand easily transferable results. One goal achieved was the development of methodssuitable for quantified measurements of the fueldistribution during mixture formation and efficientmethods for the visualization of the flame front. Thisallows investigations on the effects of the variation ofsingle parameters on mixture formation and combus-tion. On the other hand it is also possible to efficient-ly evaluate new configurations and mixture formationstrategies and their effects on the complete combus-tion process. Es konnte in den Versuchen auch gezeigt werden，dass die Wasserstoff-Direkteinblasung noch ein gro-Bes Potenzial besitzt， vor allem hinsichtlich derDarstellbarkeit geschichteter Gemische gibt es nocheinige Optimierungsmoglichkeiten. Zusatzlich zu den Untersuchungen am optischenMotor kommt auch weiterhin den optischen Mes-sun-gen am Standard-Forschungsmotor eine wichtigeRolle zu， da nur hier Hochlastversuche moglich sind.Wie bereits in [12] beschrieben，liefern diese nicht nurwichtige Erganzungen zu den Erkenntnissen aus demoptischen Motor， sondern ermoglichen auch Unter-suchungen zu Phanomenen im Hochlastbetrieb wiedem Auftreten von Verbrennungsanomalien. Eine weitere Anwendung der optischen Messmetho-den und daraus folgende Verbesserungen des Brenn-verfahrens finden weiters im Rahmen des For-schungsprojekt HylCE zur Weiterentwicklung vonWasserstoff-Verbrennungsmotoren statt. Dieses im 6.Rahmenprogramm der EU geforderte Projekt umfasstinsgesamt 10 Partner aus Industrie und Forschung，wobei am Institut fur Verbrennungskraftmaschinenund Thermodynamik der TU Graz der Schwerpunktauf der Direkteinblasung von Wasserstoff liegt. Einweiterer Schwerpunkt des Projekts liegt in derWeiterentwicklung bestehender Simulationsmodellezu Gemischbildung und Verbrennung. Die gewonne-nen Daten bilden hier eine wichtige Basis fur dieVerifizierung der verwendeten Modelle. Da die ver-wendete Hochdruckeinblasung und die Verbren-nungsmodellierung von Wasserstoff noch immereine groBe Herausforderung fur aktuell verfugbareCFD-Codes darstellt， bilden die Versuchsdaten eineunverzichtbare Datenbasis. lm Zusammenspiel aller beteiligten Partner und unterZuhilfenahme der verfugbaren Entwicklungswerk-zeuge sollte es also gelingen， den Wasserstoffmotornoch weiter zu optimieren und damit der Vision einernachhaltigen Mobilitat wieder einen Schritt naher zukommen. 8 Abkurzungen und Formelzeichen AGBauBere GemischbildungPIport injectionCFDComputational Fluid DynamicsCFDcomputational fluid dynamicsKWKurbelwinkelCAcrank angleDIDirekt-Injection (-Einblasung)D/direct-injectionEBEinblasebeginnSOIstart of injectionKrFKrypton-FluoridKrFKrypton-FluoridLIFLaser induzierte FluoreszenzLIFlaser-induced fluorescenceTDCoberer Totpunkt (top dead center)TDCtop dead centerbTDCvor oberem Totpunkt (before top deadbTDCbefore top dead centercenter)aTDCafter top dead centeraTDCnach oberem Totpunkt (after top dead center)TEAtriethylamineTEATriethylamin It was also possible to show the great potential of thehydrogen engine with direct-injection， especially con-cerning the feasibility of stratified charges there isstill enough room for further optimization. In addition to the work done on the transparentengine， an important role is still played by opticalmethods applied on the standard research engine. Asalready published in[12]， these investigations focuson combustion anomalies and other phenomena onlyoccuring at full load- an operating range which cannot be investigated with the optical engine. Additional investigations using optical methods arealso carried out within the research project "HylCE"funded by the EU within the 6th framework program.This project is focused on the further developmentand optimization of the hydrogen engine and inclu-des 10 partners from industry， universities and otherresearch facilities. In this project the Institute forInternal Combustion Engines and Thermodynamicsat TU Graz has put its focus on the investigation ofdirect injection of hydrogen. Another major field ofwork within the project is the ongoing developmentof improved simulation models for mixture formationand combustion. The data obtained from the opticalmeasurements forms an important basis for the veri-fication of these models. As the high-pressure direct-injection and the combustion of hydrogen still posechallenges to today's CFD-codes， the experimentaldata is indispensable in this context. In cooperation with all partners and with the use of allavailable development tools it should therefore bepossible to further optimize the hydrogen engine andmake a step forward towards the vision of a sustaina-ble mobility. 8 Abbreviations IPZundzeitpunkt (ignition point)/Pignition point入Luftverhaltnis [-]IMEPindicated mean effective pressure pi indizierter Mitteldruck [bar] 9 Literatur/ References [1] Goschel， B.："Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor alsAntrieb fur den BMW der Zukunft"；24. Internationales WienerMotorensymposium， Wien 2003 [2] Kovac， K.， Wimmer， A.， Hallmannsegger， M.， Obieglo， A.："Gemischbildung und Verbrennung imWasserstoffmotor-Eine Herausforderungfur die numerische Simulation"； VII. TagungMotorische Verbrennung (Haus der Technik)，Munchen 2005 [3] Ringler， J.， Gerbig， F.， Eichlseder， H.， Wimmer， A.："Insights into the Development of aHydrogen Combustion Process with InternalMixture Formation"； 6.InternationalesSymposium fur Verbrennungsdiagnostik，Baden-Baden 2004 ( [4] Blotevogel，J.， Egermann， T.， Goldlucke， J.， Leipertz， A.， Hartmann， M.， Schenk， M.， Berckmuller， M.： "Untersuchungen zur Gemischbildung inWasserstoffmotoren"； VI. Tagung"Motorische Verbrennung"， Munchen 2003 ) [5] Blotevogel， J.， Goldlucke， J.，Egermann， J.，Leipertz， A.， Hartmann， M.， Rottengruber， H.："Untersuchungen zur Gemischbildung vonGasmotoren mit Hilfe laseroptischerMessverfahren"； 10. Tagung "DerArbeitsprozess des Verbrennungsmotors"，Graz 2005 [6] Froba， A. P.， Rabenstein，F.， Munch， K.-U.， Leipertz， A.："Mixture of Triethylamine (TEA) and Benzenas a New Seeding Material for theQuantitative Two-dimensional Laser-InducedFluorescence Imaging of Vapor and LiquidFuel Inside SI Engines"； Combustion andFlame 112，1998 Elsevier Science Inc. [7] Eichlseder， H.， Wallner， T.， Gerbig， F.，Fickel，.H. C.："Gemischbildungs- undVerbrennungskonzepte fur den Wasserstoff-Verbrennungsmotor"； 7. Symposium"Entwicklungstendenzen bei Ottomotoren"，Esslingen 2004 [8] Gerbig， F.， Strobl， W.， Eichlseder， H.，Wimmer， A.："Potentials of the Hydrogen CombustionEngine with Innovative Hydrogen-SpecificCombustion Processes"； FISITA WorldAutomotive Congress， Barcelona 2004 [9] Kovac， K.："Optimierung der Gemischbildung an einemDI-Wasserstoffmotor"； Dissertation TU Graz，2005 [10] Arnold， A.， Bombach， R.， Kappeli， B. Schlegel， A.："Quantitative Measurements of OH RadicalConcentration Fields by Two-dimensionalLaser induced Fluorescence"； Paul ScherrerInstitut，cdg.web.psi.ch/Papers/QuantitativeOH.pdf [11] Eder， A.："Brennverhalten schallnaher und uberschall-schneller Wasserstoff-Luft Flammen"；Dissertation TU Munchen， 2001 ( [12] Kirchweger， W.， Eichlseder， H. ， Gerbig， F.， Gerke， U.： "Analyse von Wasserstoff-DI-Brennverfahrenmit Sondermesstechnik"； 10. Tagung "DerArbeitsprozess des Verbrennungsmotors"， Graz 2004 ) Mobility always has been and still is one of the mostimportant needs of humankind, and it is evident thatmost people prefer satisfying this need with theirown cars. At the same time the downsides of trafficlike pollution, emission of carbon dioxide and consumptionof resources are becoming more and moreobvious. But even in societies where the need forchange has become generally agreed upon, no realchange in behavior can be observed, and even aslowdown in the increase of traffic has to be considereda success. The major part of the world’s populationis living in emerging countries which are still atthe beginning of this process and shows – understandably– no interest in doing without the amenitieswe take for granted. In the light of the ongoing rapideconomic growth of countries like China and India itis obvious that the call for action on reducing the consumptionof fossil fuels in the future will be evengreater than it is today.