Bis jetzt konzentriert sich der Großteil der experimentellen Arbeiten zur Dieselgemischbildung
auf den Bereich außerhalb der Einspritzdüse. Zur Untersuchung der Einspritzung, Gemischbildung und Verbrennung wurden verschiedene optische Messtechniken eingesetzt,
die eine nicht-intrusive Charakterisierung der Vorgänge mit hoher räumlicher und zeitlicher
Auflösung ermöglichen. Derzeit werden vor allem Lichtschnittverfahren [6]–[8] und PDAMesssysteme
[9]–[13] verwendet, um die zeitliche Entwicklung der Sprayform, die Geschwindigkeiten
im Spray und die Tröpfchengrößen zu bestimmen. Desweiteren gibt es Ansätze,
die Geschwindigkeitsverteilung im Sprayrandbereich und der umgebenden Luft mit Hilfe
von PIV-Verfahren zu messen, um den Lufteintrag (Air-Entrainment) ins Spray erfassen zu
können [14]–[16].
Aufgrund der schwierigen experimentellen Zugänglichkeit ist die Erforschung der Düseninnenströmung in Einspritzd¨usen noch lückenhaft. In den letzten Jahren ist es gelungen, die
Innenströmung mit Hilfe von optisch zugänglichen Einspritzd¨usen qualitativ zu beschreiben.
Sowohl Schattenverfahren als auch Lichtschnittmesstechniken konnten zur Charakterisierung
der Kavitation in den Düsen herangezogen werden [17]–[25]. Die Untersuchungen
zeigen, dass sich vor allem bei Spritzlöchern mit schwach verrundeten bzw. scharfkantigen
Einläufen Kavitation ausbildet. Der Einfluss der Kavitation auf die Durchströmung der
Düse, auf Turbulenz und Geschwindigkeitsverteilung am Spritzlochaustritt und somit auf
den Zerfall des Einspritzstrahls ist nach wie vor weitgehend ungeklärt. Fortschritte in der
physikalischen Modellierung des Strahlzerfalls hängen jedoch maßgeblich von der möglichst
genauen Kenntnis des Strömungszustands an der Schnittstelle zwischen Düse und Spray ab.
Diesem Bereich widmet sich die vorliegende Arbeit. Zielsetzung ist es – neben der Anwendung des etablierten Schattenverfahrens – eine quantitative
Messtechnik zu entwickeln, mit welcher die Geschwindigkeitsverteilung in der Düse
gemessen werden kann. Hierzu wurde ein Particle-Image-Velocimetry-basiertes (PIV) Messsystem
ausgewählt. Die mikroskopische Struktur des Strömungsgebietes (1mmx 1 mm), die
hohen Strömungsgeschwindigkeiten (200-500m/s) und das Auftreten von Kavitation machen
dabei die Realisierung neuartiger Ansätze sowohl bei der Messtechnik, als auch bei der softwaretechnischen
Umsetzung der Auswertung im Vergleich zu auf dem Markt erhältlichen
Standard-PIV-Paketen notwendig.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Zur Bedeutung des Dieselmotors
1.2 Die Wirkkette der Dieselgemischbildung
1.3 Zielsetzung der Arbeit
2 Grundlagen der Duseninnenströmung und des Strahlzerfalls
2.1 Optisch zugängliche Modelldusen – bisherige Forschungsarbeiten
2.1.1 Planare Modelle
2.1.2 Großmodelle
2.1.3 Modelle in Originalgröße
2.2 Wissensstand
2.2.1 Innenströmung
2.2.1.1 Kavitation in Dieseleinspritzdusen
2.2.1.2 Durchflussverhalten von Dieseleinspritzdusen
2.2.2 Strahlzerfall
2.2.2.1 Strahlzerfallsbereiche
2.2.2.2 Strahlzerfallsmodelle im Atomization Regime
2.2.3 Einflussfaktoren der Innenströmung auf den Strahlzerfall
2.2.3.1 Turbulenz
2.2.3.2 Kavitation
2.3 Ableitung der Aufgabenstellung
3 Grundlagen der Particle Image Velocimetry (PIV)
3.1 Überblick über Messverfahren der Pulsed Light Velocimetry (PLV)
3.2 Aufbau eines PIV-Systems
3.3 Tracerpartikel
3.3.1 Folgeverhalten der Partikel
3.3.2 Lichtstreuverhalten der Partikel
3.4 Optische Auslegung eines PIV-Systems
3.4.1 Lichtquelle
3.4.2 Lichtschnittoptik
3.4.3 Partikelabbildung
3.4.3.1 Beugungsbegrenzte Abbildung
3.4.3.2 Aberrationen
3.4.3.3 Tiefenschärfe des Abbildungssystems
3.4.4 Kamerasysteme
3.5 Grundlagen der Korrelationsverfahren
3.5.1 Überblick möglicher Korrelationsverfahren
3.5.1.1 Autokorrelation
3.5.1.2 Kreuzkorrelation
3.5.2 Mathematische Grundlagen der Kreuzkorrelation
3.5.3 Implementierung der Korrelationsrechnung in Computerprogramme
3.5.4 Geschwindigkeitsbestimmung
4 Versuchsaufbau und Messtechniken
4.1 Versuchsaufbau
4.1.1 Transparenter Dusenaufsatz
4.1.2 Druckkammer
4.1.3 Einspritzsystem
4.1.4 Kurzzeitblitzlicht
4.1.5 Nd:YAG Lasersystem
4.1.6 Lichtschnittoptik
4.1.7 Fernfeldmikroskop
4.1.8 Kamera
4.1.9 Messrechner
4.2 Schattenverfahren
4.3 Auslegung des Fluoreszenz-PIV-Messsystems (FPIV) zur Vermessung von Hochgeschwindigkeitsströmungen in mikroskopischen Strömungsquerschnitten
4.3.1 Partikelauswahl
4.3.1.1 Optische Eigenschaften
4.3.1.2 Partikelgröße
4.3.1.3 Partikelkonzentration
4.3.2 Auswertung
4.3.2.1 Grundprinzip des Auswerteverfahrens
4.3.2.2 Umsetzung des Auswerteverfahrens
4.3.3 Analyse der Messfehler
4.3.3.1 Fehler messtechnischen Ursprungs
4.3.3.2 Auswertefehler
4.3.3.3 Gesamtbewertung
5 Versuchsergebnisse
5.1 Innenströmung und Strahlzerfall von Einlochdusen bei niedrigen Reynoldszahlen
5.1.1 Eingesetzte Dusengeometrien
5.1.2 Druckerzeugung
5.1.3 Untersuchung des Reynoldszahleinflusses
5.1.3.1 Strömungsrandbedingungen
5.1.3.2 Vermessung der Geschwindigkeitsverteilung mittels FPIV
5.1.4 Untersuchung des Kavitationseinflusses
5.1.4.1 Strömungsrandbedingungen
5.1.4.2 Visualisierung der Kavitation im Schattenwurf
5.1.4.3 Geschwindigkeitsverteilung im Spritzloch
5.1.4.4 Untersuchung des dusennahen Strahlzerfalls
5.1.4.5 Fazit
5.1.5 Untersuchung des Geometrieeinflusses
5.1.5.1 Geschwindigkeitsverteilung im Spritzloch
5.1.5.2 Vergleich des dusennahen Strahlzerfalls
5.2 Innenströmung und Strahlzerfall von Einlochdusen unter motorrelevanten Betriebsbedingungen
5.2.1 Strömungsrandbedingungen
5.2.2 Innenströmung
5.2.2.1 Qualitative Charakterisierung von Turbulenz und Kavitation
5.2.2.2 Quantitative Charakterisierung der Innenströmung mittels FPIV
5.2.2.3 Vergleich der Ergebnisse mit numerischer Simulation und mit Messungen weiterer Arbeitsgruppen
5.2.3 Strahlzerfall
5.3 Innenströmung und Strahlzerfall von Dreilochdusen unter motorrelevanten Betriebsbedingungen
5.3.1 Innenströmung
5.3.1.1 Qualitative Charakterisierung von Turbulenz und Kavitation
5.3.1.2 Quantitative Charakterisierung der Innenströmung mittels FPIV
5.3.2 Strahlzerfall
6 Resumee
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die qualitative und quantitative Charakterisierung der Innenströmung in Dieseleinspritzdüsen sowie die Analyse des Zusammenhangs zwischen Strömungsvorgängen und dem Strahlzerfall. Dabei steht die Erforschung von Kavitation, Turbulenz und Geschwindigkeitsverteilung unter Berücksichtigung motorrelevanter Betriebsbedingungen im Vordergrund, wobei die Forschungsfrage darauf abzielt, wie sich diese internen Phänomene auf den Strahlaufbruch auswirken.
- Entwicklung eines PIV-Messsystems für mikroskopische Hochgeschwindigkeitsströmungen.
- Experimentelle Untersuchung von Ein- und Mehrlochdüsen.
- Analyse der Einflüsse von Kavitation und Turbulenz auf den Strahlzerfall.
- Vergleich experimenteller Daten mit numerischen Simulationen.
- Bewertung von Geometrieeinflüssen auf das Einspritzverhalten.
Auszug aus dem Buch
2.2.1.1 Kavitation in Dieseleinspritzdusen
Unter Kavitation versteht man die Ausbildung dampfförmiger Gebiete in einer Flussigkeit, die entstehen sobald der statische Druck unter den Dampfdruck pD abfällt. In Einspritzdusen tritt Kavitation aufgrund hydrodynamischer Effekte auf. Durch geometrische Anderungen der Strömungsberandung ergibt sich eine Absenkung des statischen Drucks unter einen kritischen Wert pkr.
Die Kavitation in Dieseleinspritzdusen lässt sich nach [41], [45] entsprechend ihrer Ursache in drei Formen unterteilen:
Homogene (auch: Blasen-) Kavitation: Die Kavitation entsteht an Keimen in der Flussigkeit und bewegt sich in Form von Kavitationsblasen mit der Strömung fort. Unter der Einwirkung des wechselnden Druckfeldes der Blasen beim Durchlaufen der Strömung ergibt sich ein dynamisches Verhalten, welches in Abhängigkeit des umgebenden Drucks, des Gasgehalts und der Flussigkeitseigenschaften bis zum Kollaps der Blase führen kann.
Heterogene (auch: Film-) Kavitation: Die Kavitation entsteht in diesem Fall an Oberflächendefekten der Strömungsberandung. Die Rauhigkeit der Wand dient bei Unterschreiten des kritischen Drucks pkr als Keimreservoir. An diesen ortsfesten Keimen, die sich an der Einlaufkante des Spritzlochs befinden, bilden sich Kavitationsfilme aus, aus denen durch dynamische Vorgänge in der Strömung wiederum Blasen herausgelöst werden können.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Bedeutung des Dieselmotors und die zentrale Rolle der Wirkkette der Dieselgemischbildung für die Schadstoffemissionen sowie die Zielsetzung der experimentellen Arbeit.
2 Grundlagen der Duseninnenströmung und des Strahlzerfalls: Vermittelt den theoretischen Kenntnisstand über Innenströmung, Kavitationsphänomene und die Zerfallsregimes von Dieselsprays.
3 Grundlagen der Particle Image Velocimetry (PIV): Erläutert die physikalischen und mathematischen Prinzipien der PIV-Messtechnik sowie spezifische Verfahren zur Bildauswertung.
4 Versuchsaufbau und Messtechniken: Beschreibt detailliert den Versuchsaufbau, die verwendeten Messinstrumente (Schattenverfahren, FPIV-System) und die Methodik zur Fehleranalyse.
5 Versuchsergebnisse: Präsentiert und analysiert die Messergebnisse zu Innenströmung und Strahlzerfall unter verschiedenen Bedingungen für Ein- und Dreilochdüsen.
6 Resumee: Fasst die wissenschaftlichen Erkenntnisse zusammen und diskutiert die Bedeutung der Kavitation sowie der Turbulenz für den Strahlzerfall.
Schlüsselwörter
Dieseleinspritzung, Innenströmung, Kavitation, Strahlzerfall, Particle Image Velocimetry, PIV, Turbulenz, Spritzloch, Einspritzdüse, Hochgeschwindigkeitsströmung, Fluoreszenz, Mehrlochdüse, Hydrodynamik, Modellversuche, Strömungsanalyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der detaillierten experimentellen Untersuchung der Strömungsvorgänge im Inneren von Dieseleinspritzdüsen sowie deren Einfluss auf den anschließenden Zerfall des Kraftstoffsprays.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Schwerpunkte liegen auf der Analyse von Kavitation (Blasen- und Filmkavitation), der Strömungsturbulenz in Mikro-Düsen und der Entwicklung hochauflösender optischer Messverfahren.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist es, die Phänomene der Innenströmung quantitativ zu erfassen, um neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen den internen Strömungszuständen und dem Strahlzerfall zu gewinnen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden ein klassisches Schattenverfahren zur qualitativen Beobachtung sowie ein eigens entwickeltes, fluoreszenzbasiertes Particle-Image-Velocimetry-System (FPIV) zur quantitativen Geschwindigkeitsmessung eingesetzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Fundierung, die Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Messtechnik sowie die ausführliche Analyse und Diskussion der experimentell ermittelten Strömungsfelder.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Dieseleinspritzung, Kavitation, PIV-Messtechnik, Strahlzerfall, Spritzlochströmung und Turbulenz.
Wie unterscheidet sich die Kavitation in verschiedenen Düsen?
Die Arbeit vergleicht scharfkantige Einläufe, die zur intensiven Kavitationsfilmbildung neigen, mit verrundeten Einläufen, die das Auftreten von Kavitation unter gleichen Druckbedingungen deutlich reduzieren oder verhindern.
Welchen Einfluss hat die "Superkavitation"?
Die Arbeit zeigt, dass eine voll ausgebildete Superkavitation im Spritzloch durch die Reduzierung der Wandschubspannungen zu höheren Durchflussgeschwindigkeiten und einer signifikanten Veränderung des Strahlaufbruchs führt.
- Citar trabajo
- Jochen Walther (Autor), 2002, Quantitative Untersuchungen der Innenströmung in kavitierenden Dieseleinspritzdüsen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/14763
