Quantitative Untersuchungen der Innenströmung in kavitierenden Dieseleinspritzdüsen

Doktorarbeit / Dissertation aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau, Note: cum laude, Technische Universität Darmstadt (Fachgebiet für Strömungslehre und Aerodynamik), Sprache: Deutsch, Abstract: Bis jetzt konzentriert sich der Großteil der experimentellen Arbeiten zur Dieselgemischbildungauf den Bereich außerhalb der Einspritzdüse. Zur Untersuchung der Einspritzung, Gemischbildung und Verbrennung wurden verschiedene optische Messtechniken eingesetzt,die eine nicht-intrusive Charakterisierung der Vorgänge mit hoher räumlicher und zeitlicherAuflösung ermöglichen. Derzeit werden vor allem Lichtschnittverfahren [6]-[8] und PDAMesssysteme[9]-[13] verwendet, um die zeitliche Entwicklung der Sprayform, die Geschwindigkeitenim Spray und die Tröpfchengrößen zu bestimmen. Desweiteren gibt es Ansätze,die Geschwindigkeitsverteilung im Sprayrandbereich und der umgebenden Luft mit Hilfevon PIV-Verfahren zu messen, um den Lufteintrag (Air-Entrainment) ins Spray erfassen zukönnen [14]-[16].Aufgrund der schwierigen experimentellen Zugänglichkeit ist die Erforschung der Düseninnenströmung in Einspritzd-usen noch lückenhaft. In den letzten Jahren ist es gelungen, dieInnenströmung mit Hilfe von optisch zugänglichen Einspritzd-usen qualitativ zu beschreiben.Sowohl Schattenverfahren als auch Lichtschnittmesstechniken konnten zur Charakterisierungder Kavitation in den Düsen herangezogen werden [17]-[25]. Die Untersuchungenzeigen, dass sich vor allem bei Spritzlöchern mit schwach verrundeten bzw. scharfkantigenEinläufen Kavitation ausbildet. Der Einfluss der Kavitation auf die Durchströmung derDüse, auf Turbulenz und Geschwindigkeitsverteilung am Spritzlochaustritt und somit aufden Zerfall des Einspritzstrahls ist nach wie vor weitgehend ungeklärt. Fortschritte in derphysikalischen Modellierung des Strahlzerfalls hängen jedoch maßgeblich von der möglichstgenauen Kenntnis des Strömungszustands an der Schnittstelle zwischen Düse und Spray ab.Diesem Bereich widmet sich die vorliegende Arbeit. Zielsetzung ist es - neben der Anwendung des etablierten Schattenverfahrens - eine quantitativeMesstechnik zu entwickeln, mit welcher die Geschwindigkeitsverteilung in der Düsegemessen werden kann. Hierzu wurde ein Particle-Image-Velocimetry-basiertes (PIV) Messsystemausgewählt. Die mikroskopische Struktur des Strömungsgebietes (1mmx 1 mm), diehohen Strömungsgeschwindigkeiten (200-500m/s) und das Auftreten von Kavitation machendabei die Realisierung neuartiger Ansätze sowohl bei der Messtechnik, als auch bei der softwaretechnischenUmsetzung der Auswertung im Vergleich zu auf dem Markt erhältlichenStandard-PIV-Paketen notwendig.