Charakterisierung der Tropfen-Wand-Interaktion im Parameterbereich von Ottomotoren mit Direkteinspritzung

Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Bd. 31/2007

Boyke Richter

ISBN 978-3-8325-1625-3
155 Seiten, Erscheinungsjahr: 2007
Preis: 40.50 €

Zentrale Ziele gegenwärtiger Entwicklungen auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren sind Wirkungsgraderhöhung zur Einsparung fossiler Brennstoffe und Verringerung von Schadstoffemissionen. Großes Potential zur Wirkungsgradsteigerung des Ottomotors weist die Direkteinspritzung auf. Dabei lässt sich der Kontakt von Einspritzstrahl und Kolbenoberfläche nur in wenigen Betriebsbereichen vermeiden. Aus diesem Grund spielt die Interaktion des Einspritzstrahls mit der Kolbenoberfläche im Kontext der Gemischbildung eine bedeutende Rolle. Der Sprayaufprall wird von der zeitlichen und räumlichen Interaktion von mehreren Aufprallereignissen dominiert. Die im Rahmen der vorgestellten Arbeit durchgeführten Untersuchungen zum Aufprall eines realen DI-Sprays zeigen die massive zeitliche und räumliche überlagerung, sowie die sehr kurzen zeitlichen und sehr kleinen räumlichen Fenster, die dem einzelnen Tropfen für das Aufprallereignis zur Verfügung stehen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird zum einen erstmals der Aufprall von einzelnen mikrometergroßen Tropfen unter realitätsnahen Bedingungen umfassend analysiert. Zum anderen wird darauf aufbauend die zeitliche und räumliche Interaktion von Aufprallereignissen unter vergleichbaren Randbedingungen detailliert untersucht. Diese Experimente stellen besondere Anforderungen an den Versuchsaufbau, die Versuchsdurchführung und die Messtechnik. Zur Lösung dieser Herausforderung wird ein Versuchsaufbau vorgestellt, der eine bildgebende Untersuchung der Aufprallereignisse unter verschiedensten Bedingungen ermöglicht. Mit Hilfe von computergestützten Bildanalysetechniken, die an die komplexen Herausforderungen der durchgeführten Experimente angepasst wurden, wird neben quantitativen Größen wie Geschwindigkeit und Größe von Tropfen auch ein visueller Eindruck der ablaufenden Prozesse gewonnen. Insbesondere eine visuelle Kontrolle und Analyse ist für die Identifizierung von Prozessen und physikalischen Vorgängen essentiell wichtig. Der erstmals durchgeführte Vergleich der dynamischen Vorgänge beim Aufprall von mikrometergroßen Tropfen mit Ergebnissen von millimetergroßen Tropfen aus der Literatur ergibt eine gute qualitative übereinstimmung. Detaillierte Untersuchungen zur Entstehung von Sekundärtropfen beim Aufprall auf eine heiße Oberfläche zeigen deutliche Unterschiede zum Aufprall von millimetergroßen Tropfen auf. Es wird eine Schwelle der Aufprallenergie hergeleitet, unterhalb derer ein bislang unbeobachtetes Phänomen auftritt, das als ?Thermische Reflexion? bezeichnet wurde. Dieses wird von dem Verhältnis der Zeitskalen der Lamellenausbreitung und der Wärmeübertragung dominiert und tritt nur bei mikrometergroßen Tropfen in der gezeigten Form auf, weshalb es in dieser Arbeit erstmals nachgewiesen werden konnte. Da die Bedingungen, unter denen Thermische Reflexion auftritt, im Zentrum des Parameterbereichs von Ottomotoren mit Direkteinspritzung liegen, kommt diesem Phänomen eine sehr große Bedeutung zu.

Generell wird in der Arbeit die Notwendigkeit und der Nutzen von Experimenten unter realitätsnahen Bedingungen bestätigt. Verschiedene Vorgänge werden detailliert dargestellt, die zu einer Weiterentwicklung und Validierung der numerischen Simulation beitragen können. Auf Basis der vorgestellten Ergebnisse weiterentwickelte Modelle können der Vorentwicklung von Verbrennungsmotoren ein Werkzeug an die Hand geben, das eine Verkürzung der Entwicklungszeiten ermöglicht. Eine zuverlässige Berechnung der Gemischbildung erlaubt eine frühzeitige Optimierung von Parametern, die die Grundlage einer wirkungsgradoptimalen und schadstoffarmen Verbrennung bilden. Diese vorgeschaltete rechnerunterstützte Optimierung kann die kostenintensive prüfstandsbasierte Prototypenerprobung erheblich verkürzen.