Quantitative Untersuchungen der Innenströmung in kavitierenden Dieseleinspritzdüsen

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.