Fachtagung “Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik” 5. – 7. September 2006, Braunschweig

PLANARE FUEL-AIR-RATIO-LIF UND PIV ZUR GEMISCHBILDUNGSANALYSE VON REALKRAFTSTOFF Jochen Scholz, Tim Wiersbinski, Volker Beushausen Laser-Laboratorium Göttingen e.V., Hans-Adolf-Krebs-Weg 1, 37077 Göttingen Zusammenfassung

Diese Untersuchungen dienen der Entwicklung eines 2D-Messverfahrens zur Gemischbil-dungsuntersuchung von Kraftstoff und Luft. Zur Untersuchung des Mischungsverhältnisses wurde ein Fluoreszenzverfahren validiert, das die fluoreszenzlöschenden Eigenschaften des Luft-Sauerstoffs ausnutzt, so dass die Kraftstofffluoreszenz proportional zum Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird. Erstmals konnte die Anwendbarkeit dieses „Fuel-Air-Ratio-LIF“ Konzeptes (FARLIF) für einen nur marginal veränderten Realkraftstoff (ohne Zugabe von Fluores-zenztracern) direkt nachgewiesen werden. Generell zeigen die Messungen, dass FARLIF mit dem Kraftstoff „Euro-Super farblos“ und 266 nm Anregung bei Drücken ab 1.3 bar und genü-gendem Luftanteil mit λ≥0.2 bis zu Temperaturen von mindestens 500 K anwendbar ist. Ungünstigerweise haben sich die FARLIF-Signale als temperaturabhängig herausgestellt, so dass das Verfahren für isotherme Mischungsprozesse am besten geeignet ist; andernfalls muss die Temperatur für eine entsprechende Korrektur bekannt sein. Als Anwendung des FARLIF-Konzeptes konnten flächige FARLIF-Untersuchungen von insta-tionären Mischungsfeldern erfolgreich demonstriert werden. Diese flächigen FARLIF-Untersuchungen wurden durch zeitgleiche PIV-Messungen erweitert, so dass neben dem Mischungsverhältnisfeld simultan das Strömungsfeld vermessen werden konnte. Schließlich ermöglichte noch die Auswertung der simultan erfassten Fluoreszenz-Doppelbilder gleichzei-tig die Verfolgung der Bewegung von Mischungsstrukturen, um ein umfassenderes Bild der Mischungssituation zu erhalten. Einleitung

Die kontrollierte und definierte Mischung von Kraftstoff und Luft spielt eine entscheidende Rolle bei der Auslegung und Weiterentwicklung von Verbrennungsmaschinen und ihrer Brennverfahren. So hängt deren Güte (Leistung, Verbrauch, Schadstoffemission etc.) ent-scheidend von der Gemischbildung und Gemischverteilung vor der eigentlichen Zündung ab. Insbesondere vor dem Hintergrund knapper werdender Recourcen, einem weltweit steigen-den Bedarf an Brennstoffen und einem stetig steigenden Ölpreis ist die Entwicklung sparsa-mer Brennverfahren von hohem Stellenwert. Hinzu kommt der Druck, durch die steigende Umweltverschmutzung und die damit immer strenger werdende Umweltauflagen, die Brenn-verfahren zu optimieren um die Emissionswerte zu vermindern. Daher wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl von optischen Messverfahren entwickelt, die einen experimentellen Zu-gang zu dem Gemischbildungsprozess liefern. Ein viel versprechender Ansatz ist die Messung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses mittels La-serinduzierter Fluoreszenz (Fuel-Air-Ratio measurement by Laser-Induced Fluorescence, FARLIF), der erstmals von Reboux et al. 1994 für Toluol als Tracersubstanz bei einer Fluo-reszenz-Anregungswellenlänge von 248 nm vorgeschlagen wurde (Reboux et al. 1994). Hier

wird der fluoreszenzlöschende Einfluss des Luft-Sauerstoffs zum Vorteil genutzt, wodurch die Fluoreszenzintensität bei höheren Drücken druckunabhängig und direkt proportional zum Kraftstoff-Luft-Verhältnis wird. Allerdings tauchten in neueren Veröffentlichungen auch Zwei-fel über die Anwendbarkeit dieser Technik bei höheren Temperaturen auf (Koban et al. 2005a, Koban et al. 2005b, Schulz und Sick 2005, Frat et al. 2004). Schulz und Sick 2005 schlossen jedoch aus ihren Untersuchungen, dass die Temperaturproblematik bei einer langwelligeren Anregung, etwa bei 266 nm, weniger ausgeprägt und der anwendbare Tem-peraturbereich größer sein sollte als bei 248 nm Anregung. Koch 2005 schloss aus zeitinteg-rierten Stern-Volmer-Untersuchungen, dass bei dieser längeren Anregungswellenlänge das FARLIF-Prinzip mit Toluol bis zu Temperaturen von 500 K anwendbar sein sollte. In unseren bisherigen Untersuchungen konnten wir erstmals direkt nachweisen, dass dieses Messkon-zept mit der langwelligeren Anregung bei 266 nm und mit Toluol als Fluoreszenztracer im Modellkraftstoff Isooktan bei Temperaturen zumindest bis 423 K und Drücken über 1.5 bar anwendbar ist (Scholz et al. 2005). Die aktuellen Untersuchungen beschäftigen sich mit der Ausweitung dieses Messkonzeptes auf den Einsatz mit realistischerem Kraftstoff, ohne jeglichen zusätzlichen Fluoreszenztracer. Modelkraftstoffe, insbesondere solche, die nur aus einer oder wenigen Komponenten beste-hen, haben den Nachteil, dass sie im Vergleich zu Realbenzin ein unterschiedliches Ver-dampfungsverhalten und damit ein unterschiedliches Verhalten bei der Gemischbildung auf-weisen. Weiterhin sind auch die Verbrennungseigenschaften abweichend von Realbenzin, was wiederum auf die Emissionseigenschaften wirkt. Seitens der Motor- und Verfahrensent-wickler besteht daher der Wunsch Messverfahren an die Hand zu bekommen, die mit mög-lichst realitätsnahem Kraftstoff ohne die Zugabe von zusätzlichen Tracern funktionieren. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass ein nur leicht veränderter Realkraftstoff „Euro-Super farblos“ ein guter Kandidat für FARLIF-Untersuchungen ist. Daher wird die Anwendbarkeit des FARLIF-Prinzips für diesen Realkraftstoff untersucht und eine flächige Mischungs-verhältnisdetektion demonstriert. Neben dem momentanen Mischungsfeld besitzt auch dessen zeitliche Entwicklung eine ho-he Relevanz. Diese kann durch die Verfolgung von Fluoreszenzstrukturen durch LIF-Doppelbilder beobachtet werden, wie es schon in früheren Arbeiten vorgestellt wurde (Scholz et al. 2005). Hier werden die Weiterentwicklungen der Auswertestrategien vorge-stellt. Da die zeitliche Entwicklung des Mischungsfeldes stark mit dem momentanen Strö-mungsfeld verknüpft ist, bietet die zeitgleiche Messung dieses Strömungsfeldes weiteren Einblick in den Gemischbildungsvorgang. Daher wurde eine simultane Messung des Ge-schwindigkeitsfeldes mittels Particle Image Velocimetry (PIV) mit der entwickelten flächigen FARLIF-Detektion von Realkraftstoff kombiniert. Das FARLIF-Konzept

Das von Reboux et al. 1994 vorgeschlagene Messkonzept zur Kraftstoff-Luft-Verhältnismessung mittels laserinduzierter Fluoreszenz (Fuel-Air-Ratio measurement by La-ser Induced Fluorescence, FARLIF) wurde detaillierter bereits in Scholz et al. 2005 beschrie-ben. Hier sollen nur noch einmal die wichtigsten Punkte erwähnt werden. Im Bereich linearer Fluoreszenz (also schwacher Anregung) ist das Fluoreszenzsignal proportional zur Anzahl-dichte des Fluorophors nfl und zur Fluoreszenzquantenausbeute qf. Ist nun Sauerstoff der der dominierende Stoßpartner für Fluoreszenzlöschung (engl. collisional quenching) so er-gibt sich , (1)

wobei sich die hier ausgeschrieben Fluoreszenzquantenausbeute aus dem Ratenkoeffizien-ten für spontane Emission krad , dem Ratenkoeffizienten für alle intramolekularen Deaktivie-

22 OqOf

radflf nkk

knI+

⋅∝

rungsprozesse kf und dem Quenchkoeffizienten kqO2 und der Anzahldichte nO2 von Sauerstoff zusammensetzt. Bei dominierendem Sauerstoffquenchen, also kf<<kqO2⋅nO2 kann man kf ver-nachlässigen und es gilt . (2)

Das heißt für feste Mischungsverhältnisse von Tracer und Luft wird die Fluoreszenzintensität mit steigendem Druck und damit steigendem (kqO2 nO2) druckunabhängig und der erreichte Plateauwert proportional zum Mischungsverhältnis nfl/nO2. Dieses Mischungsverhältnis ist wiederum proportional zum Äquivalenzverhältnis φ = 1/λ, wobei der λ-Wert das stöchiometri-sche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (die Luftzahl) darstellt (für stöchiometrische Gemische gilt λ=1, zündfähige Gemische liegen im Bereich 0.5<λ<1.3). Das FARLIF-Signal wird also drucku-nabhängig und invers proportional zum λ-Wert. Überprüfung der Anwendbarkeit des FARLIF-Prinzips bei Realkraftstoff

Als Kraftstoff wurde ein Mehrkomponentenkraftstoff verwendet, der die Euro-Super-Spezifikation erfüllt, aber – im Unterschied zum Superbenzin von der Tankstelle – nicht die farbigen Bitumenstoffe enthält („Euro-Super farblos“, Shell PR 1632). Die Bitumenfreiheit soll dafür sorgen, dass die optischen Zugänge nicht so schnell verschmutzt bzw. verfärbt wer-den. Aufgrund dieser nur geringfügigen Veränderung zum Realbenzin sollte „Euro-Super farblos“ in den meisten motorischen Anwendungen identische Resultate wie ein „Kraftstoff von der Tankstelle“ liefern (auch hier gibt es Unterschiede zwischen den einzelnen Herstel-lern und selbst zwischen einzelnen Chargen). Dieser Kraftstoff ist ohne Zugabe eines Tracers selbst zur Fluoreszenz mit Licht bei 266 nm anregbar und besitzt eine mindestens vergleichbare Fluoreszenzintensität wie ein übliches Toluol-Isooktan-Gemisch (mit 5%-10% Toluol). Analog zum in Scholz et al. 2005 beschrie-benen Vorgehen für den Tracer Toluol wurde auch für „Euro-Super farblos“ die grundlegen-den Voraussetzungen für die Anwendbarkeit des FARLIF-Prinzips überprüft. So wurden das Vorliegen von linearer LIF, die photochemische Stabilität bei Anregung mit 266 nm und die starke Dominanz von Sauerstoff als Quenchpartner gegenüber Stickstoff- und Eigenquen-

22 O

fl

qO

radf n

nkk

I ∝

Fluoreszenzschirm

Strahlfalle

Druckfestes heizbares Strömungsmodul

Energie-messkopf

Energiemonitor :CCD-Kamera

Fluoreszenz-detektor:Intensivierte CCD-Kamera

HR-Spiegel45°

StrahlteilerT=94%

StrahleilerT=94%

Spektralfilter

Lichtschnitt-Formung

Spiegel

Nd:YAG-Laser @ 266 nm

QuarzglasFenster

Fluoreszenzschirm

Strahlfalle

Druckfestes heizbares Strömungsmodul

Energie-messkopf

Energiemonitor :CCD-Kamera

Fluoreszenz-detektor:Intensivierte CCD-Kamera

HR-Spiegel45°

StrahlteilerT=94%

StrahleilerT=94%

Spektralfilter

Lichtschnitt-Formung

Spiegel

Nd:YAG-Laser @ 266 nm

QuarzglasFenster

Abb. 1: Optischer Aufbau für FARLIF-Untersuchungen

chen in Vorversuchen nachgewiesen. Für die Fluoreszenzmessungen wurde der in Abbildung 1 skizzierte optische Aufbau ver-wendet. Der Strahl eines frequenzvervierfachten Nd:YAG-Lasers (Wellenlänge 266 nm) wird durch eine Zylinderlinsenkombination zu einem Lichtband geformt, das durch die Druckzelle geführt wird. Senkrecht zum Laserband wird das angeregte Fluoreszenzlicht mittels einer bildverstärkten CCD-Kamera flächig detektiert. Hierbei sorgt ein Spektralfilter für die Unter-drückung der Anregungswellenlänge. Vor und nach der Druckzelle wird ein geringer Anteil des Anregungslichts mit Stahlteilern ausgekoppelt und getrennt auf einen Fluoreszenzschirm geführt, dort in den sichtbaren Bereich transferiert und von einer CCD-Kamera aufgenom-men. Diese Anordnung dient einerseits zur Detektion und späteren Korrektur von Puls-zu-Puls Fluktuationen der Laserintensität und andererseits zur Messung der momentanen Ab-sorption in der Messstrecke, die wiederum korrigiert werden kann. Zur direkten Überprüfung der Anwendbarkeit des FARLIF-Prinzips bei „Euro-Super farblos“ wurden homogene Gasgemische des Kraftstoffs mit synthetischer Luft (20% O2 , 80% N2) in einem druckfesten heizbaren Vormischbehälter aufbereitet und in einer heizbaren Druckzelle bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 500 K bei Drücken zwischen 1 mbar und 10 bar untersucht. Bei konstanter Temperatur wurde für jeweils verschiedene feste Mi-schungsverhältnisse Fluoreszenzuntersuchungen bei unterschiedlichen Drücken durchge-führt, um die Druckunabhängigkeit der Fluoreszenzintensität bei höheren Drücken zu über-prüfen. Die flächigen Fluoreszenzbilder wurden dabei entlang des Anregungswegs bezüglich der Absorption des Anregungslichts korrigiert und zu einem Mittelwert zusammengefasst.

0 200 400 600 800 1000

0,1

1

10

1000 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0,1

1

10

100λ-Wert

0.1 1.2 0.2 1.6 0.4 2.0 0.8 2.4

LIF-

Inte

nsitä

t [w

.E.]

Dichte [1023m-3]

Druck [mbar]

0 200 400 600 800 1000 1200

0,01

0,1

1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0,01

0,1

1

λ-Wert 2.4 12.4 3.2 15.7 3.9 19.7 6.0 49.3 8.0 101.1 10.0

LIF-

Inte

nsitä

t [w

.E.]

Dichte [1023m-3]

Druck [mbar]

Abb. 2: FARLIF-Validierung bei 398 K mit Benzin-Luft-Gemischen

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

1

2

3

4

5

6

7

8

9

zünd-fähig

FAR

LIF-

Inte

nsitä

t [w

.E.]

Äquivalenzverhältnis 1/λ 0,01 0,1 1 10

0,01

0,1

1

FAR

LIF-

Inte

nsitä

t [w

.E.]

Äquivalenzverhältnis 1/λ Abb. 3: FARLIF-Kalibriergeraden: Plateauintensitäten aus Abb. 2 vs. Äquivalenzverhältnis.

Links: Lineare Auftragung. Rechts: Doppellogarithmische Auftragung.

In Abbildung 2 sind diese Fluoreszenzintensitäten gegen den Absolutdruck bzw. die Ge-samtdichte für eine Vielzahl von Mischungsverhältnissen (entsprechend λ-Werten) bei einer Temperatur von 398 K aufgetragen. Im linken Teil von Abbildung 2 sind die Mischungs-verhältnisse um den zündfähigen Bereich herum und im rechten Teil sehr magere Gemische dargestellt. Deutlich sind nach einem steilen Signalanstieg die Bildung von Plateaus und damit die Druckunabhängigkeit der Fluoreszenzintensität für jedes Mischungsverhältnis zu erkennen. In Abbildung 3 sind die Plateauintensitäten gegen das Äquivalenzverhältnis 1/λ aufgetragen. Diese „FARLIF-Intensitäten“ liegen sehr gut auf einer Ursprungsgeraden, so wie es in Gleichung 2 bei Gültigkeit des FARLIF-Prinzips vorausgesagt wird. Nach Kenntnis der Autoren ist dies das erste Mal, dass die Anwendbarkeit des FARLIF-Prinzips für einen selbst-fluoreszierenden tracerfreien Realkraftstoff direkt gezeigt werden konnte. Es ist besonders erwähnenswert, dass das FARLIF-Prinzip über drei Dekaden von Mi-schungsverhältnissen hinweg nachgewiesen werden konnte, wie es in der doppellogarithmi-schen Auftragung in Abbildung 3 rechts zu erkennen ist. In Abbildung 3 links hingegen wird deutlich, dass das Prinzip insbesondere im und um den technisch besonders relevanten Be-reich zündfähiger Gemische anwendbar ist. Bei anderen Temperaturen waren die Ergebnisse vergleichbar, auch wenn dort nur Mi-schungsverhältnisse mit λ-Werten im Bereich von 0.1<λ<2.4 überprüft wurden. Jedoch ha-ben sich die Steigungen der FARLIF-Kalibrationsgeraden (wie in Abb. 3 links) als tempera-turabhängig erwiesen, so dass FARLIF-Messungen für isotherme Prozesse prädestiniert sind oder eine Temperaturkorrektur verwendet werden muss. Generell zeigen die Ergebnis-se die Anwendbarkeit von FARLIF mit „Euro-Super farblos“ bei Drücken über 1.3 bar und genügend hohem Luftanteil λ≥0.2 bis zu Temperaturen von mindestens 500 K. Weitere zu-künftige Experimente werden noch höhere Temperaturen untersuchen um die Grenzen der Anwendbarkeit von FARLIF mit Realkraftstoff auszuloten. Planare FARLIF-Anwendung

Nach der Überprüfung der Anwendbarkeit des FARLIF-Prinzips wurde in Analogie zum Vor-gehen aus Scholz et al. 2005 die flächige Detektion von inhomogenen Mischungssituationen mit dem Realkraftstoff „Euro-Super farblos“ demonstriert. Hierzu wurde die Druckzelle in ein Strömungsmodul umfunktioniert und mit einer Zweikomponenten-Koaxialdüse als Gaseinlass ausgestattet. Durch regelbare Dosierventile an den Gaseinlässen und dem Gasauslass konnten Mischungsvorgänge beim Durchströmen bei konstantem oder variablem Druck rea-lisiert werden. Die Fluoreszenzdetektion erfolgte wieder mit dem oben beschriebenen Auf-bau. Um bereits am Düsenaustritt Gasbedingungen zu erhalten, bei denen das FARLIF-Prinzip anwendbar ist, wurde nicht reines Kraftstoffgas durch den zentralen Einlass der Ko-axialdüse eingeströmt, sondern ein im Druckbehälter vorgemischtes fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch den Ringspalt der Düse wurde synthetische Luft eingeströmt. Die Kalibrie-rung der flächigen FARLIF-Aufnahmen kann einerseits über die mit dem gleichen Aufbau aufgenommene Kalibrationsgerade (wie Abbildung 3) erfolgen. Alternativ dazu kann man sich die Tatsache zunutze machen, dass die Kalibrationsgerade eine Ursprungsgerade ist: Kennt man in nur einem Gebiet der flächigen FARLIF-Aufnahme das Äquivalenzverhältnis, so lässt sich mit der Zuordnung der Intensität in diesem Gebiet zum bekannten Äquivalenz-verhältnis das gesamte Bild kalibrieren. Abbildung 4 zeigt links ein Beispiel für eine kalibrierte FARLIF-Aufnahme einer momentanen Vermischungssituation im Nachlauf der Koaxialdüse, wobei ein Zylinder mit 0.9 mm Durch-messer als Strömungshindernis zentral in die Koaxialströmung nahe des Düsenausgangs eingebracht wurde(siehe Schattenwurf von rechts nach links). Die Strömung geht von unten nach oben und der frei detektierbare Durchmesser beträgt ca. 25 mm. Bei dieser Aufnahme herrschte ein Druck von 5 bar und eine Temperatur von 398 K.

Deutlich sind die Kraftstoffumströmung des Zylinders und die Vermischung mit Wirbelstruktur im Nachlauf zu beobachten. Weiter oben und rechts von der Düse sind Wolken mit bereits stärker vermischtem Gas zu identifizieren. Diese Strukturen werden in Abbildung 4 rechts besonders deutlich. Hier wurden – als Anwendungsbeispiel – die zündfähigen Bereiche des Mischungsfeldes mit 0.5<λ<1.3 weiß hervorgehoben. In der Nähe des Düsenaustritts und nach dem Zylinder ist die Vermischung nur wenig vorangeschritten, so dass ein zündfähiges Gemisch nur an der „Kontaktfläche“ beider Gase vorliegt. Weiter stromab lösen sich zündfä-hige Wolken von dem fetteren Kraftstoffstrom. Diese und weitere Messungen zeigten die Anwendbarkeit von planaren Einzelschuss- FARLIF-Messungen in isothermen transienten Mischungsszenarien bei motorisch relevanten Drücken zwischen 1.5 und 7 bar und Temperaturen bis 433 K. Ausgehend vom Nachweis der Anwendbarkeit des FARLIF-Prinzips bis mindesten 500 K, sollte auch dieser Tempera-turbereich und höhere Drücke für die Messtechnik zugänglich sein. Kombination von PIV und FARLIF

Um zeitgleich zu FARLIF-Aufnahmen auch das Strömungsfeld in der Messebene erfassen zu können, wurde eine PIV-Messtechnik in das Messverfahren integriert. Damit möglichst am identischen Ort das Mischungsverhältnisfeld und das Strömungsfeld gemessen werden kann, wurde der Laser mit einem zweiten baugleichen Laser zu einen Doppelpulssystem erweitert und eine bildverstärkte Doppelbildkamera dem Aufbau hinzugefügt. Hierdurch ist die Beleuchtung mit demselben Lichtschnitt für beide Messmethoden möglich. Mit Hilfe eines schmalbandigen spektral selektiven Spiegels wurde das Partikel-Streulicht auf der Laserwel-lenlänge 266 nm auf die PIV-Doppelbildkamera abgebildet. Der Bildverstärker bei dieser PIV-Kamera ist notwendig, um die Doppelbildkamera für den UV-Bereich sensitiv zu ma-chen. Als FARLIF-Kamera wurde eine baugleiche bildverstärkte Doppelbildkamera einge-setzt, die wieder mit einem Spektralfilter zur Unterdrückung der Anregungswellenlänge 266 nm ausgerüstet wurde. Hierdurch wurde es möglich, zeitgleich zu den PIV-Doppelbildern zwei FARLIF-Bilder aufzunehmen und hiermit auch die zeitliche Veränderung des Mi-schungsfeldes zu verfolgen (siehe unten). Besonders wichtig war die Auswahl des geeigneten „Seedings“, also der Streupartikel, mit denen die Strömung für PIV-Messungen versetzt wird. Wichtig war, dass die Streupartikel der Strömung gut zuzufügen waren und ihr folgten. Daher wurde ein Aerosolgenerator zur Erzeugung eines feinen Tröpfchennebels gewählt. Der Nebel wurde vor der Koaxialdüse der einströmenden Luft zugemischt. Für den simultanen Einsatz von PIV mit FARLIF war es notwendig, dass die Tröpfchen im Spektralbereich der Kraftstoff-Fluoreszenz selber keine

Abb. 4: Links: Kalibrierte 2D-FARLIF-Messung im Nachlauf eines Zylinders.

Rechts: Identifizierung zündfähiger Bereiche (weiß dargestellt).

Fluoreszenz aufweisen. So ist die weit verbreitete Seeding-Substanz DEHS (Di-Ethyl-Hexyl-Sebacat) für diese Anwendung aufgrund ihrer Eigenfluoreszenz ungeeignet. Neben hochrei-nem Glycerin (Reinheit: für die Spektroskopie) hat sich auch reines Polyethylenglycol 400 (PEG 400, Reinheit: Ph Eur) als geeignet erwiesen. PEG 400 hatte in Vorversuchen gegen-über Glycerin die besseren Tröpfchen- und Streueigenschaften gezeigt, sodass bei den si-multanen PIV- und FARLIF-Messungen diese Seedingsubstanz zum Einsatz kam. Zur Aus-wertung der PIV-Doppelbilder wurde eine kommerzielle PIV-Software (Davis 6.2, LaVision) mit Standard-PIV-Algorithmen (mit kleiner werdenden Zellen im Multipass) verwendet. In Abbildung 5 oben ist das Ergebnis einer simultanen PIV- und FARLIF-Messung darge-stellt. Hier wurde beim Durchströmen von Luft kurzzeitig das Kraftstoffventil geöffnet, so dass quasi ein Kraftstoffpuls eingelassen wurde. Die dargestellte Messung zeigt gerade den ein-strömenden Kopf dieses Pulses. Die Temperatur lag hier bei 398 K und der Druck bei 5 bar. Im Hintergrund ist das kalibrierte FARLIF-Bild dargestellt, aus dem das lokale Mischungsver-hältnis entnommen werden kann. Dunkle Bereiche haben hier einen hohen Kraftstoffanteil. Das simultan mit PIV gemessene Geschwindigkeitsfeld zeigt wie zu erwarten die Maximal-geschwindigkeit unterhalb des Kopfes dieses Kraftstoffpulses und eine entsprechende Wir-belbildung an beiden Seiten. Generell zeigt diese und etliche weitere Messungen, dass mit dem entwickelten Messkonzept die simultane Erfassung von momentanen Geschwindig-keitsfeld und Mischungsverhältnisfeld in transienten Mischungssituationen ermöglicht wurde. Neben PIV bieten auch die Fluoreszenz-Doppelbilder die Möglichkeit, die zeitliche Mi-schungsdynamik zu verfolgen. Bei diesem Ansatz, der bereits in Scholz et al. 2005 vorge-stellt wurde, wird mit Hilfe der Methode des optischen Flusses (eine Übersicht zu dieser Me-

Abb. 5: Oben: Geschwindigkeitsfeld und Mischungsfeld aus simultaner PIV- und FARLIF-Messung.Unten: Fluorescence Motion Analysis (FMA). Auswertung Ruhnau (links) und Kondermann (rechts)

thode findet sich in Barron et al. 1994) die Grauwertverschiebung zwischen beiden Fluores-zenz-Doppelbildern ermittelt. Diese Kombination von Fluoreszenz-Doppelbildern und an-schließender Verschiebungsanalyse wird im Folgenden als „Fluorescence Motion Analysis“ (FMA) bezeichnet. Die Bildauswertung für die FMA wird in einer Kooperation durch Paul Ruhnau aus der „Computer Vision Graphics and Pattern Recognition“ (CVGPR) Gruppe von Prof. Schnörr, Uni Mannheim (Verfahren siehe Ruhnau et al. 2005) und durch Daniel Kon-dermann aus der „Digital Image Processing“ Gruppe von Prof. Jähne, Uni Heidelberg durch-geführt und wurde nunmehr auf Doppelbilder statt Bildsequenzen optimiert. In Abbildung 5 sind unten die beiden Auswertungen von Ruhnau (links) und Kondermann (rechts) aus dem zugehörigen Fluoreszenz-Doppelbild der obigen Strömungssituation dargestellt. Beide Aus-wertungsansätze unterscheiden sich im Wesentlichen darin, dass Ruhnau globalere Struktu-ren und Kondermann lokale Strukturen mehr gewichten. Auch wenn die Optimierung beider Auswertungsmethoden für die FMA erst in den Anfängen steckt, können die Hauptstruktur-geschwindigkeiten und Richtungen schon richtig erfasst werden. Die weitere Optimierung der Auswertung ist Gegenstand fortlaufender Arbeiten. Es ist zu betonen, dass FMA nicht (zwin-gend) das Strömungsfeld wiedergibt, sondern verdeutlicht wo und wie sich Mischungsstruk-turen bewegen und verformen. Dies kann in motorischen Anwendungen z.B. dazu benutzt werden, um die Bewegung zündfähiger „Wolken“ im Brennraum zu analysieren. Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG für die finan-zielle Unterstützung dieses Projektes im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1147 „Bildgebende Messverfahren für die Strömungsanalyse“. Weiterhin gilt unser Dank den Ko-operationspartnern im SPP 1147 aus dem Bereich Bildverarbeitung, insbesondere der Ar-beitsgruppe von Prof. Schnörr, Uni-Mannheim, und Prof. Jähne, Uni-Heidelberg, für die Zu-sammenarbeit bei der Bildauswertung für die „Fluorescence Motion Analysis“.

Literatur Barron J. L., Fleet D. J., Beauchemin S. S., 1994: “Performance of optical flow techniques”, Interna-tional Journal of Computer Vision, 12(1), 43—77 Frat F., Legrix L., Vervisch P., Dionnet F., Domingues E., 2004: “Dependence with pressure and tem-perature of laser induced fluorescence of toluene for application to fuel/air ration imaging in an optical SI engine”, International Conference on Advanced Optical Diagnostics in Fluids, Solids and Combus-tion, Tokyo, Japan Koban W., Koch J.D., Handson R.K., Schulz C., 2005a: “Oxygen quenching of toluene fluorescence at elevated temperatures”, Appl. Phys. B 80, 777–784 Koban W., Koch J.D., Handson R.K., Schulz C., 2005b: “Toluene LIF at elevated temperatures: impli-cations for fuel–air ratio measurements”, Appl. Phys. B 80, 147-150 Koch J.D., 2005: “Fuel tracer photophysics for quantitative planar laser induced fluorescence”, Disser-tation, Standford University Reboux J., Puechberty D., Dionnet F., 1994: "A new approach of PLIF applied to fuel/air ratio meas-urement in the compression stroke of an optical SI engine," SAE technical paper series No. 941988 Ruhnau P., Kohlberger T., Nobach H., Schnörr C., 2005: “Variational Optical Flow Estimation for Parti-cle Image Velocimetry”, Experiments in Fluids 38: 21-32 Scholz J., Röhl M., Beushausen V., 2005: “Mischungsfeldanalyse mit Fuel-Air-Ratio-LIF”, Proceedings der 13. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", 6.-8. September 2005, Cottbus, ISBN 3-9805613-2-1 Schulz C., Sick V., 2005: “Tracer-LIF Diagnostics: Quantitative Measurement of fuel concentration, temperature and air/fuel ratio in practical combustion situations”, Prog. Energy Combustion Sci. 31, 75-121