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Quantitative Untersuchungen zum Einfluss von Düsengeometrie und Gasdichte auf den Primärzerfallsbereich von Dieselsprays

Leick, Philippe :
Quantitative Untersuchungen zum Einfluss von Düsengeometrie und Gasdichte auf den Primärzerfallsbereich von Dieselsprays.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Quantitative Untersuchungen zum Einfluss von Düsengeometrie und Gasdichte auf den Primärzerfallsbereich von Dieselsprays
Language: German
Abstract:

Das Einspritzsystem eines modernen, direkt einspritzenden Dieselmotors hat einen starken Einfluss auf die Gemischaufbereitung im Brennraum und daher auch auf die Leistungsentfaltung, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen des Fahrzeugs. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen diesen Größen und der Ausbreitung und Zerstäubung des Kraftstoffsprays. Um diesen Prozess zu verstehen und zu modellieren, und um Validierungsdaten und Randbedingungen für dreidimensionale numerische Simulationen zu erhalten, sind detaillierte, experimentelle Daten über das Dieselspray zwingend erforderlich. Quantitative Messungen im düsennahen Primärzerfallsgebiet eines Dieselsprays sind jedoch schwierig und die experimentelle Datenbasis ist entsprechend dürftig. Aufgrund der kleinen Abmessungen und der hohen Geschwindigkeiten, vor allem aber aufgrund der hohen Dichte dieser Sprays können die meisten bekannten Messtechniken nicht oder nur eingeschränkt verwendet werden. „Laser Correlation Velocimetry“ (LCV) ist eine einfache und robuste, aber bisher wenig erforschte Methode, die auf einer Messung von Flugzeiten zwischen zwei sehr kleinen, annähernd punktförmigen Lichtschranken beruht und dadurch die hohen zeitlichen und räumlichen Auflösungen erreicht, die für Untersuchungen von Dieselsprays wünschenswert sind. In der Literatur wird davon berichtet, dass mittels LCV Geschwindigkeitsmessungen in einem dichten Dieselspray schon ab 0.1 mm nach Spritzlochaustritt möglich sind. Diese Messungen fanden jedoch unter atmosphärischen Bedingungen statt. Zu Beginn dieser Arbeit wurde ein LCV-System – basierend auf einem erprobten Konzept – aufgebaut. Dieses System wurde an zwei Stellen entscheidend verbessert: In einem ersten Schritt wurden der optische Aufbau und die bei der Datenverarbeitung zum Einsatz kommenden Algorithmen detailliert analysiert, woraus sich einige Verbesserungen und Erweiterungen ergeben haben und die Ungenauigkeiten bei den Messungen besser verstanden wurden. Der zweite Schritt war die Anwendung des LCVs innerhalb einer Druckkammer, um das Dieselspray auch unter Bedingungen studieren zu können, die denen im Motor zum Zeitpunkt der Einspritzung ähneln. Da zur Erzeugung kleiner Messvolumen optische Bauteile sehr nah am Spray positioniert werden müssen, ist der Aufbau einer geeigneten Druckkammer nicht trivial. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen wurde eine sehr kompakte, an die speziellen Bedürfnisse der LCV-Technik angepasste Druckkammer aufgebaut und das optische System daran adaptiert. Im Primärzerfallsgebiet von Dieselsprays wurden zeitlich und räumlich aufgelöste Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt und durch detaillierte Schattenaufnahmen ergänzt. Basierend auf Variationen von Düsengeometrie, Position der Messpunkte und Dichte der umgebenden Atmosphäre wird ein deskriptives Spraymodell vorgestellt, mit dem die gemessenen Geschwindigkeitsprofile auf einfache weise interpretiert werden können. Der Einfluss der Gasdichte ist in den Randbereichen des düsennahen Sprays, wo die Tropfenkonzentration gering ist, sehr stark ausgeprägt: höhere Gasdichten führen zu einer schnelleren Abnahme der Tropfengeschwindigkeit. In der nähe der Sprayachse bzw. des dichten Spraykerns, wo der Flüssigkeitsanteil hoch ist, ist ihr Einfluss dagegen nur gering: unabhängig von der Gasdichte liegen die gemessenen Werte nur sehr knapp unter der Bernoulli-Geschwindigkeit.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The injection system of a modern direct injection Diesel engine plays an important role on the mixture preparation, and thus on power, fuel consumption and emissions, which are directly influenced by the atomization of the spray in the engine cylinder. Detailed knowledge of the interaction between the liquid spray and the surrounding gas is necessary in order to understand the atomization process, and is required by modern CFD codes to provide boundary conditions for the simulations and to validate them. However, quantitative experimental data about the primary break-up region of Diesel sprays is scarce. Due to the high densities, high speeds and small dimensions of these sprays, most standard measurement methods cannot be applied. Laser Correlation Velocimetry (LCV) is a simple and robust but non-standard optical technique that relies on time-of-flight measurements, using two very small detection volumes in order to achieve spatial and temporal resolutions appropriate for the study of Diesel sprays. It has previously been demonstrated that LCV measurements are still possible at very high optical densities, and velocities have been measured in Diesel sprays as close as 0.1 mm from the outlet of the nozzle, but mostly under atmospheric conditions. At the start of this work, an LCV system was set up based on an existing design. Two different aspects of the technique have been significantly improved. In a first step, the optical layout and the data processing algorithms were analyzed in detail, which led to some extensions of the original technique and to a deeper understanding of the associated measurement errors. The second step was the application of LCV inside a pressure vessel in order to study the development of sprays injected into an environment of similar density than near top dead center in a Diesel engine. As high aperture optics located close to the measurement positions are required in order to create small detection volumes, setting up an appropriate pressure chamber is not straightforward. For the investigations presented in this thesis, a very compact pressure vessel meeting the special needs of the LCV technique was built. The optical system had to be modified in order to meet the demands of LCV measurements inside this pressure vessel. Time-resolved velocity measurements were performed in the primary break-up region of Diesel sprays and supplemented by corresponding shadow images. Based on variations of the nozzle geometry, the position of the detection volumes and the density of the surrounding atmosphere, a descriptive spray model was developed in order to facilitate the interpretation of the measured velocity profiles. The influence of the ambient gas density was found to be very significant in the outer regions of the spray, where the concentration of liquid fuel is rather low, but negligible in the vicinity of the dense core.English
Uncontrolled Keywords: Diesel; optische Messtechnik; Spray; Primärzerfall; Zerstäubung; Geschwindigkeitsmessung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Diesel; optische Messtechnik; Spray; Primärzerfall; Zerstäubung; GeschwindigkeitsmessungGerman
Diesel; optical measurement technique; spray; primary break-up; atomization; velocity measurementEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 03 Nov 2008 07:49
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11594
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Kneer, Prof. Reinhold
Refereed: 2 July 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1159
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  • Quantitative Untersuchungen zum Einfluss von Düsengeometrie und Gasdichte auf den Primärzerfallsbereich von Dieselsprays. (deposited 03 Nov 2008 07:49) [Currently Displayed]

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