Diese Arbeit beschreibt und charakterisiert die Prozesse innerhalb eines Ottomotorzylinders mit Benzindirekteinspritzung mittels Hochgeschwindigkeitslaserdiagnostik. Hauptziel der Experimente ist ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb des Zylinders zu erreichen und dadurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades sowie einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Abgasmenge.

In einem einzylindrischen Versuchsmotor mit eingebautem Quarzglassring zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf wurden planare Bildgebungsmethoden einsetzt, um die Prozesse innerhalb des Zylinders aufzunehmen. Speziell das Strömungsgeschwindigkeitsfeld, die Kraftstoffverteilung sowie die Ausbreitung des Flammenkerns während der Kompressionsphase wurden untersucht. Alle Experimente wurden mit einer Wiederholrate von 6 kHz aufgenommen, was eine Aufnahme von Einzelbildsequenzen (ein Bild pro Kurbelgradwinkel bei 1000 U/min) und mehreren sequentiellen Zyklen ermöglichte. In jedem Experiment wurde ein Einzelprozess isoliert (Strömungsgeschwindigkeitsfeld, Interaktion Spray/Strömungsfeld, Kraftstoffverteilung, Ausbreitung des Flammenkerns), um eine entkoppelte Betrachtung zu ermöglichen. Zusätzlich wurden statistische Methoden (z.B. kinetische Energie) eingesetzt, um die individuellen Merkmale der Zyklusschwankungen zu identifizieren. Zu jedem Experiment wurden die möglichen Fehlerquellen betrachtet.

Als erstes wurde das Strömungsgeschwindigkeitsfeld von 180° (unterer Todpunkt) bis 60° vor oberem Todpunkt mittels drei-Komponenten Hochgeschwindigkeits-Particle-Image-Velocimetry aufgenommen. Im Gegensatz zu konventionellem zwei-Komponenten Particle-Image-Velocimetry wurden dabei alle Geschwindigkeitskomponenten in einer Ebene aufgezeichnet. Verschiedene Parametereinflüsse (Ladungsbewegung tumble, swirl, neutral, sowie unterschiedliche Drehzahlen) wurden systematisch mit der Berechnung der kinetischen und turbulenten kinetischen Energie analysiert. Der Einfluss der out-of-plane Geschwindigkeitskomponente wurde mit unterschiedlichen Ladungsbewegungen analysiert. Die Annahme einer isotropen Geschwindigkeitsverteilung ergab, dass die Richtungs-abhängigkeit der fluktuierenden Geschwindigkeiten homogener verteilt ist als angenommen.

Die Interaktion zwischen Kraftstoffverteilung und Ladungsbewegung wurde mit zwei-Komponenten-Hochgeschwindigkeits-Particle-Image-Velocimetry untersucht. Die Einzelzyklen beinhalten dabei das Geschwindigkeitsfeld sowie die anschließende Kraftstoffeinspritzung (Schichtbetrieb). Der Einfluss der Ladungsbewegung auf die Deformation des Sprays wurde statistisch analysiert. Als zweites wurde die Kraftstoffverteilung innerhalb des Zylinders mittels laser-induzierter Fluoreszenz aufgenommen, um Inhomogenitäten zu identifizeren. Des Weiteren wurden die Kraftstoffablagerungen oberhalb des Kolbens sowie deren zyklusabhängige Verdampfungsprozesse mit überlagerten Konvektiven- und Diffusionsprozessen untersucht.

Zuletzt wurde die Ausbreitung des Flammenkerns mittels Aufnahmen der intermediären OH-Radikalen der Flammenfront untersucht. Einzelzyklusaufnahmen des Flammenkerns wurden mit dem simultan aufgenommenen Druckverlauf korreliert. Der Einfluss von synthetischer Abgasrückführung auf die Flammenkernentwicklung wurde zusätzlich analysiert.