Quantitative Untersuchungen der Innenströmung in kavitierenden Dieseleinspritzdüsen

Tesis Doctoral / Disertación , 2002 , 145 Páginas , Calificación: cum laude

Ingeniería - Ingeniería mecánica

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

• Nomenklatur
• 1 Einleitung
  • 1.1 Zur Bedeutung des Dieselmotors.
  • 1.2 Die Wirkkette der Dieselgemischbildung
  • 1.3 Zielsetzung der Arbeit
• 2 Grundlagen der Düseninnenströmung und des Strahlzerfalls
  • 2.1 Optisch zugängliche Modelldüsen - 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 Dieseleinspritzdüsen
      • 2.2.1.2 Durchflussverhalten von Dieseleinspritzdüsen
    • 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 Düsenaufsatz
    • 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 Einlochdüsen bei niedrigen Reynolds-zahlen
    • 5.1.1 Eingesetzte Düsengeometrien
    • 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 düsennahen 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 düsennahen Strahlzerfalls.
  • 5.2 Innenströmung und Strahlzerfall von Einlochdüsen 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 Dreilochdüsen 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 Resümee

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Dissertation befasst sich mit der quantitativen Untersuchung der Innenströmung in kavitierenden Dieseleinspritzdüsen, um einen tieferen Einblick in die komplexen Abläufe der Dieselgemischbildung zu erhalten. Durch die Kombination von experimentellen Messungen und numerischen Simulationen soll das Strömungsverhalten im Spritzloch unter motorrelevanten Bedingungen genauer untersucht werden. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Einflussfaktoren Turbulenz und Kavitation.

• Die Untersuchung der Innenströmung in Dieseleinspritzdüsen mittels moderner Messtechniken wie Particle Image Velocimetry (PIV)
• Die Analyse des Einflusses von Turbulenz und Kavitation auf das Strömungsverhalten im Spritzloch
• Die Entwicklung von Modellen zur Beschreibung des Strahlzerfalls von Dieselkraftstoff in Abhängigkeit von den Strömungsrandbedingungen
• Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit numerischen Simulationen
• Die Ableitung von Empfehlungen für die Optimierung von Dieseleinspritzsystemen

Zusammenfassung der Kapitel

Das erste Kapitel führt in die Bedeutung des Dieselmotors und die Wirkkette der Dieselgemischbildung ein. Es werden die Ziele der Dissertation und die wichtigsten Fragestellungen dargelegt. Das zweite Kapitel gibt einen Überblick über den aktuellen Wissensstand zur Innenströmung und dem Strahlzerfall in Dieseleinspritzdüsen. Es werden verschiedene Modelldüsen, der Einfluss von Kavitation und Turbulenz auf die Strömung sowie verschiedene Strahlzerfallsmodelle diskutiert. Das dritte Kapitel stellt die Grundlagen der Particle Image Velocimetry (PIV) vor, einer Messtechnik zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Flüssigkeiten. Das vierte Kapitel beschreibt den Aufbau des Versuchsaufbaus, die verwendeten Messtechniken und die Auswertung der Messdaten. Das fünfte Kapitel präsentiert die Versuchsergebnisse, die in zwei Teilen gegliedert sind: Teil 1 befasst sich mit der Innenströmung und dem Strahlzerfall von Einlochdüsen bei niedrigen Reynoldszahlen, Teil 2 untersucht die Strömung unter motorrelevanten Bedingungen. Das sechste Kapitel fasst die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.

Schlüsselwörter

Dieseleinspritzdüsen, Innenströmung, Kavitation, Turbulenz, Strahlzerfall, Particle Image Velocimetry (PIV), numerische Simulation, Dieselgemischbildung, Kraftstoffeinspritzung.

• Universidad: Technical University of Darmstadt (Fachgebiet für Strömungslehre und Aerodynamik)
• Calificación: cum laude
• Autor: Jochen Walther (Autor)
• Año de publicación: 2002
• Páginas: 145
• No. de catálogo: V14763
• ISBN (Ebook): 9783638200738
• Idioma: Alemán
• Etiqueta: Quantitative, Untersuchungen, Innenströmung, Dieseleinspritzdüsen