Advanced

High Repetition Rate Laser Diagnostics for Combustion Applications

Sjöholm, Johan LU (2012)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Vår värld drivs av förbränning. Från den lilla elden som används vid matlagning till gigantiska gasturbiner och kolkraftverk som genererar en stor del av all elektricitet. Dessutom så drivs nästan alla fordon av förbränningsmotorer. Det har uppskattats att över nittio procent av alla energi vi i världen omvandlar kommer från förbränning i någon form.

Det är således ganska lätt att inse att en liten förändring i hur effektivt vi använder till exempel olja och kol kan få stora konsekvenser på en global nivå. En annan aspekt av förbränning är att flera av de ämnen som kan finnas med i avgaserna, såsom sot, kväveoxider och svaveloxider, är skadliga för vår hälsa. Att minska dessa utsläpp är... (More)
Popular Abstract in Swedish

Vår värld drivs av förbränning. Från den lilla elden som används vid matlagning till gigantiska gasturbiner och kolkraftverk som genererar en stor del av all elektricitet. Dessutom så drivs nästan alla fordon av förbränningsmotorer. Det har uppskattats att över nittio procent av alla energi vi i världen omvandlar kommer från förbränning i någon form.

Det är således ganska lätt att inse att en liten förändring i hur effektivt vi använder till exempel olja och kol kan få stora konsekvenser på en global nivå. En annan aspekt av förbränning är att flera av de ämnen som kan finnas med i avgaserna, såsom sot, kväveoxider och svaveloxider, är skadliga för vår hälsa. Att minska dessa utsläpp är inte helt enkelt och kräver ofta dyr och avancerad efterbehandling av avgaserna. Målet med stora delar av forskningen inom förbränningsområdet idag är att minska de skadliga ämnena i avgaserna och att samtidigt höja effektiviteten. För att åstadkomma detta krävs dock en ökad förståelse av de bakomliggande processerna i förbränningen.

Optiska metoder och då speciellt de som använder lasrar har visat sig vara användbara verktyg för att studera förbränningsprocesser. Genom att använda en laser för att belysa t.ex. en flamma kan man detektera enskilda ämnen och även radikaler som finns i mycket låga koncentrationer. Dessutom kan väldigt hög tidsupplösning åstadkommas, vilket effektivt fryser flödet och skapar skarpa bilder utan rörelseoskärpa. Ett vanligt förfarande är att forma laserstrålen till ett tunt ark, som man sen leder genom objektet man vill studera. Genom att placera en kamera i nittiograders vinkel till arket kan man skapa en tvådimensionell bild som då visar ett tvärsnitt av objektet.

Vill man studera turbulent förbränning, som den i förbränningsmotorer eller i gasturbiner, kan det vara av intresse att följa flödet i tiden genom att ta flera laserarks bilder i snabb följd. Dock rör sig turbulenta flöden generellt sett snabbare än vad vanliga lasersystem klarar av att följa. Således krävs ett extraordinärt lasersystem för att analysera flödet. I Lund har vi för detta syfte så kallade multi-YAG system. Dessa system kan producera åtta laserpulser i extremt snabb följd, ner mot miljondelar av en sekund mellan laserpulserna.

Ett exempel på höghastighets laserdiagnostik med en Multi-YAG laser är de serier som visar bränslekoncentrationen i motorer som presenteras i denna avhandling. Motorerna var ombyggda med kvartsdelar i kolven och runt förbränningsrummet vilket möjliggjorde laserarksmätningarna. På detta sätt kan man följa hur bränslet blandas med luften i cylindern och sen se hur och var bränslet förbränns. Ett annat exempel är studier av sot i motorerna. Här används laserarket för att belysa sot inuti en dieselmotor. För att förstå vad som händer i den högst turbulenta miljön inuti en diesel motor måste man följa sotet över tiden med flera bilder.

Man kan också använda en Multi-YAG laser för att titta på flera ämnen samtidigt. För att göra detta bygger man om lasern så att pulserna får olika våglängd. Eftersom olika ämnen absorberar olika våglängder kan man således välja vilket ämne man vill studera. Man kan på detta sätt ta bilder av fyra ämnen samtidigt. Till skillnad från att ta dessa fyra bilderna vid olika tidpunkter så kan simultana mätningarna visa hur ämnena överlappar och interagerar i en turbulent och stokastisk miljö.

Av stort intresse för dieselmotorer är hur bränslet blandas med luften i cylindern. Dieselmotorer använder idag direktinsprutning med mycket högt tryck. Detta gör att bränslet, som är en vätska, snabbt omvandlas till en gassprej i cylindern. Denna gas blandas sedan med luften i cylindern och när rätt koncentration uppnåtts börjar blandningen brinna på grund av den höga temperaturen. Då detta sker kommer sot att bildas, men exakt hur och varför är inte helt klart. I ett försök till att förstå detta så mättes blandningens koncentration precis vid den punkt där sprejen börjar brinna. Detta visade sig dock inte förklara hur mycket sot som motorn producerade. Troligen på grund av att sotet som bildas i sprejen till stor del brinner upp senare i förbränningen.

I en annan studie mättes hur bränslesprejen interagerar med de omgivande väggarna i förbränningsrummet. Efter en bit så träffar sprejen oftast en vägg vilket gör att flödet riktas om till att följa väggen. För att ytterligare komplicera det hela så finns det flera sprejer i förbränningsrummet vilket gör att sprejflödena som går längs väggarna kolliderar med varandra. Resultaten visade att efter det att sprejen träffat väggen i förbränningsrummet så blandas mycket mindre luft in i sprejen än man förväntade sig vilket kan leda till att mer sot genereras. (Less)
Abstract
High repetition rate laser diagnostics has proven to be a useful tool for studying combustion phenomena. Laser techniques are, in general, relatively non-intrusive and have the potential to measure specific species at very low concentrations and with extremely high temporal resolution. However, most laser systems in this field of research are limited to repetition rates below 100 Hz, and are thus incapable of resolving the fastest time scales in turbulent combustion. For this purpose, the multi-YAG laser systems at Lund University have been used. These consist of four double-pulsed Nd:YAG lasers combined into one unit with a single optical output. This allows eight high-energy laser pulses to be fired in very rapid succession. In order to... (More)
High repetition rate laser diagnostics has proven to be a useful tool for studying combustion phenomena. Laser techniques are, in general, relatively non-intrusive and have the potential to measure specific species at very low concentrations and with extremely high temporal resolution. However, most laser systems in this field of research are limited to repetition rates below 100 Hz, and are thus incapable of resolving the fastest time scales in turbulent combustion. For this purpose, the multi-YAG laser systems at Lund University have been used. These consist of four double-pulsed Nd:YAG lasers combined into one unit with a single optical output. This allows eight high-energy laser pulses to be fired in very rapid succession. In order to match the repetition rate of the multi-YAG systems, framing cameras consisting of eight intensified CCD detectors with a single optical input were used.

Several of the measurements presented in this thesis were made in optically accessible engines. These engines were based on production line engines that were modified for optical measurements through the addition of a Bowditch piston extension. This gives optical access to the combustion chamber from below via a 45 degree mirror and in some cases from the sides as well. The combustion process in the engines has been studied using a number of laser techniques including laser-induced fluorescence (LIF), Raman scattering and laser-induced incandescence (LII).

In the work presented in this thesis, multi-YAG laser systems were used to study mixture preparation through the application of high-speed fuel tracer LIF in several different optical engines, both light- and heavy-duty, and various combustion concepts. High-speed LII and Raman spectroscopy were used to study combustion in a heavy-duty diesel engine. This thesis also presents fuel LIF measurements on a fuel tracer using structured laser illumination planar imaging (SLIPI) in the same heavy-duty diesel engine.

Various laser techniques were further developed, including high-speed LII and the adaptation of the SLIPI technique for engine measurements. Development of simultaneous measurements of four species in a turbulent flame, and comparisons of different schemes for carbon monoxide LIF were also made. Finally, an optical parametric oscillator (OPO) unit was tested and evaluated together with the multi-YAG system. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Fansler, Todd D., Propulsion Systems Research Laboratory, GM Global R&D, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
spray, diesel, optical engine, simultaneous, laser-induced fluorescence, fuel tracer, SLIPI, Raman, LII, laser diagnostic, combustion, high repetition rate, high-speed, PLIF, multi-YAG, LIF, fuel jet, Fysicumarkivet A:2012:Sjöholm
pages
292 pages
defense location
Lecture hall B, Fysicum, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2012-06-08 10:15
ISSN
1102-8718
ISBN
978-91-7473-319-8
language
English
LU publication?
yes
id
9629c905-ab0b-4348-87ac-9bb122fca2c7 (old id 2540695)
date added to LUP
2012-05-15 14:36:37
date last changed
2016-09-19 08:45:00
@phdthesis{9629c905-ab0b-4348-87ac-9bb122fca2c7,
  abstract     = {High repetition rate laser diagnostics has proven to be a useful tool for studying combustion phenomena. Laser techniques are, in general, relatively non-intrusive and have the potential to measure specific species at very low concentrations and with extremely high temporal resolution. However, most laser systems in this field of research are limited to repetition rates below 100 Hz, and are thus incapable of resolving the fastest time scales in turbulent combustion. For this purpose, the multi-YAG laser systems at Lund University have been used. These consist of four double-pulsed Nd:YAG lasers combined into one unit with a single optical output. This allows eight high-energy laser pulses to be fired in very rapid succession. In order to match the repetition rate of the multi-YAG systems, framing cameras consisting of eight intensified CCD detectors with a single optical input were used.<br/><br>
Several of the measurements presented in this thesis were made in optically accessible engines. These engines were based on production line engines that were modified for optical measurements through the addition of a Bowditch piston extension. This gives optical access to the combustion chamber from below via a 45 degree mirror and in some cases from the sides as well. The combustion process in the engines has been studied using a number of laser techniques including laser-induced fluorescence (LIF), Raman scattering and laser-induced incandescence (LII).<br/><br>
In the work presented in this thesis, multi-YAG laser systems were used to study mixture preparation through the application of high-speed fuel tracer LIF in several different optical engines, both light- and heavy-duty, and various combustion concepts. High-speed LII and Raman spectroscopy were used to study combustion in a heavy-duty diesel engine. This thesis also presents fuel LIF measurements on a fuel tracer using structured laser illumination planar imaging (SLIPI) in the same heavy-duty diesel engine.<br/><br>
Various laser techniques were further developed, including high-speed LII and the adaptation of the SLIPI technique for engine measurements. Development of simultaneous measurements of four species in a turbulent flame, and comparisons of different schemes for carbon monoxide LIF were also made. Finally, an optical parametric oscillator (OPO) unit was tested and evaluated together with the multi-YAG system.},
  author       = {Sjöholm, Johan},
  isbn         = {978-91-7473-319-8},
  issn         = {1102-8718},
  keyword      = {spray,diesel,optical engine,simultaneous,laser-induced fluorescence,fuel tracer,SLIPI,Raman,LII,laser diagnostic,combustion,high repetition rate,high-speed,PLIF,multi-YAG,LIF,fuel jet,Fysicumarkivet A:2012:Sjöholm},
  language     = {eng},
  pages        = {292},
  school       = {Lund University},
  title        = {High Repetition Rate Laser Diagnostics for Combustion Applications},
  year         = {2012},
}