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Über die Interaktion fast paralleler sowie kollidierender Kraftstoffsprays

Mantel, Regine :
Über die Interaktion fast paralleler sowie kollidierender Kraftstoffsprays.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Über die Interaktion fast paralleler sowie kollidierender Kraftstoffsprays
Language: German
Abstract:

Über die Interaktion fast paralleler sowie kollidierender Kraftstoffsprays

Die Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs ist sowohl in Otto- als auch in Dieselmotoren ein maßgeblicher Faktor einer effizienten und sauberen Verbrennung. Zur Optimierung wurde in der Vergangenheit auf unterschiedlichste Zerstäubungsmechanismen gesetzt. Heutzutage dominiert jedoch die einfache Druckzerstäubung, deren Entwicklung in den letzten Jahren in Richtung immer höherer Einspritzdrücke ging. In dieser Arbeit werden zwei neuartige Einspritzkonzepte untersucht, die auf einer bewusst herbeigeführten Interaktion einzelner Sprays beruhen. In beiden Konzepten soll letztendlich die Interaktion einzelner Sprays eine verbesserte Zerstäubung sicherstellen. Indirekte Merkmale hierfür sind u.a. eine schnellere Verdampfung und ein erhöhtes Ansaugen umgebender Luft. Die für die Interaktion der Sprays relevanten Wirkzusammenhänge werden vorwiegend mit Hilfe optischer Messtechniken untersucht. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei dem nahe am Injektor gelegenen Interaktions- bzw. Kollisionsbereich gewidmet. Um eine gute optische Zugänglichkeit zu garantieren, werden für beide Konzepte Düsenmuster mit reduzierter Lochanzahl verwendet.

Für das Dieselspray werden einzelne Spritzlöcher durch Paare aus zwei kleineren, fast parallel ausgerichteten Löchern ersetzt, wobei der hydraulische Durchfluss des Injektors konstant gehalten wird. Primäres Ziel ist es, die Vorteile kleiner Löcher für die Zerstäubung bei Teillast auszunutzen, ohne deren Nachteil bei Volllast in Kauf nehmen zu müssen. Bei ausreichend großer Einspritzmenge soll die Vereinigung der beiden Sprays die gewünschte schnelle Penetration in den Brennraum sicherstellen. Im Vergleich zu konventionellen Dieselsprays mit gleichem hydraulischem Durchfluss sind für die „gruppierten“ Düsen kaum Unterschiede festzustellen. Die makroskopischen Strahlgrößen wie Luftansaugung und Verdampfung entsprechen denen der Referenzdüse. Detaillierte Untersuchungen bringen jedoch bereits vor der Interaktion Unterschiede im Kegelwinkel und in der Stabilität zwischen den beiden gruppierten Einzelsprays zum Vorschein. Diese Differenzen sind allerdings auf die Zuströmung von Kraftstoff in die einzelnen Spritzlöcher und nicht auf Interaktion der Sprays zurückzuführen. Überraschenderweise scheint das gruppierte Spray insgesamt stabiler als das Referenzspray zu sein und es lassen sich signifikante Unterschiede in der Impulsverteilung der beiden Einzelsprays vor der Interaktion finden. Ob diese Unterschiede jedoch generelle Eigenschaften gruppierter Sprays oder aber auf die Besonderheiten des verwendeten Musters zurückzuführen sind, kann nur durch weitere Untersuchungen geklärt werden.

Bei den Benzinsprays werden die einzelnen Spritzlöcher ebenfalls durch je ein Paar kleinerer Löcher ersetzt. Die Sprays werden allerdings unmittelbar nach Düsenaustritt unter einem Winkel von 30° bzw. 40° zur Kollision gebracht, wodurch sich die Zerstäubungsgüte verbessern soll. Das Druckniveau soll so gesenkt werden, um Kosten zu sparen und Ansprüche an das Material zu reduzieren. Durch die Kollision von zwei Einzelstrahlen in kurzem Abstand zur Düsenspitze entsteht eine instabile, schnell zerfallende Flüssigkeitslamelle. Die Untersuchungen zeigen, dass das sogenannte „Twinjetspray“ gegenüber Benzinreferenzsprays eine deutlich stärkere Luftströmung induziert und bei Einspritzung in eine heiße Atmosphäre auch schneller verdampft. Der erhoffte Effekt einer zu kleineren Durchmessern verschobenen Tröpfchengrößenverteilung bleibt hingegen größtenteils aus. Durch die andere räumliche Verteilung und die hinzugekommenen Freiheitsgrade können Twinjetsprays aber Vorteile in der Auslegung der inspritzventile bieten. Die Hauptthese, dass durch die Zerstäubung durch Kollision kleinere Tröpfchen entstehen, kann nicht bestätigt werden. Es werden aber in beiden untersuchten Konzepten andere vorteilhafte Eigenschaften registriert, sodass die Konzepte weiter verfolgt werden sollten. Nach den erfolgten grundlegenden Untersuchungen sind nun einerseits Motorversuche erforderlich, andererseits die robuste Integration der Konzepte in Serieninjektoren. Dies ist für die Dieselvariante deutlich einfacher zu realisieren, da das Konzept grundlegend weniger von der bewährten Einspritztechnik abweicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The quality of atomization is decisive for an effective and clean combustion. To meet stringent emission legislation and reduce fuel consumption a complete mixture formation is required. Interacting sprays are one possibility to atomize fuel into fine droplets. New concepts are used to improve the atomization quality. New designs of the injector holes for gasoline and Diesel injectors are investigated in this work. For Diesel injectors one individual larger spray hole is replaced with a pair of closely spaced, nearly parallel but smaller “grouped holes”. The resulting spray properties strongly depend on the interaction and eventual merging of individual jets. The goal is to use the advantageous small diameters under low and part load conditions due to improved atomization and faster evaporation of the injected fuel. In contrast, nozzles with larger diameters are needed at full load in order to rapidly inject larger quantities of fuel. Due to the larger number of smaller holes and slipstream effects, a sufficient amount of fuel can be injected and mixed with air in a very short amount of time. Comparing the grouped hole Diesel nozzle to a conventional nozzle with the same hydraulic flow rate reveals only very subtle differences. The macroscopic features such as the spray-induced air entrainment and the evaporation behavior, are very similar. Surprisingly, the momentum distribution of the two sprays that make up a group is highly asymmetric. The group hole sprays also appears to be more stable than the high flow-rate reference, but this difference might not be generalizable and could be a peculiarity of the investigated nozzles. The near-nozzle collision of two cylindrical jets generates an unstable elliptical sheet which rapidly disintegrates into fine droplets. The velocity of the twinjet sprays is found to be within the range expected according to conservation of momentum in droplet collisions; the velocity is thus slightly lower than for a comparable reference nozzle. The measured air entrainment velocities are significantly higher for twinjet sprays than for a reference nozzle with the same flow rate, which suggests improved atomization. Using the twinjet sprays, roughly twice the amount of fuel can be evaporated within the same time. The direct measurement of the droplet size distribution of the twinjet and reference sprays via the phase Doppler technique shows a very similar drop size distribution. However, the different spatial distribution of the twinjet spray and the additional degrees of freedom might be advantageous for the design and optimization of gasoline direct injection systems. The main hypothesis that smaller droplets can originate from twinjet atomization is not confirmed. Nevertheless, both investigated concepts show advantageous properties, so that, follow-up research and development is jusifiable and recommended. After investigating the fundamentals of the concepts, engine investiagtions and the robust integration in serial injectors are required. This is easier for the Diesel injectors, as the concept is closer to proven injection technologies.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays
Date Deposited: 29 Sep 2017 11:15
Last Modified: 29 Sep 2017 11:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-67726
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Wensing, Prof. Dr. Michael and Roisman, Apl. Prof. Ilia
Refereed: 11 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6772
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