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 Dieselgemischbildung
auf 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 zeitlicher
Auflösung ermöglichen. Derzeit werden vor allem Lichtschnittverfahren [6]-[8] und PDAMesssysteme
[9]-[13] verwendet, um die zeitliche Entwicklung der Sprayform, die Geschwindigkeiten
im Spray und die Tröpfchengrößen zu bestimmen. Desweiteren gibt es Ansätze,
die Geschwindigkeitsverteilung im Sprayrandbereich und der umgebenden Luft mit Hilfe
von PIV-Verfahren zu messen, um den Lufteintrag (Air-Entrainment) ins Spray erfassen zu
können [14]-[16].
Aufgrund der schwierigen experimentellen Zugänglichkeit ist die Erforschung der Düseninnenströmung in Einspritzd-usen noch lückenhaft. In den letzten Jahren ist es gelungen, die
Innenströmung mit Hilfe von optisch zugänglichen Einspritzd-usen qualitativ zu beschreiben.
Sowohl Schattenverfahren als auch Lichtschnittmesstechniken konnten zur Charakterisierung
der Kavitation in den Düsen herangezogen werden [17]-[25]. Die Untersuchungen
zeigen, dass sich vor allem bei Spritzlöchern mit schwach verrundeten bzw. scharfkantigen
Einläufen Kavitation ausbildet. Der Einfluss der Kavitation auf die Durchströmung der
Düse, auf Turbulenz und Geschwindigkeitsverteilung am Spritzlochaustritt und somit auf
den Zerfall des Einspritzstrahls ist nach wie vor weitgehend ungeklärt. Fortschritte in der
physikalischen Modellierung des Strahlzerfalls hängen jedoch maßgeblich von der möglichst
genauen 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 quantitative
Messtechnik zu entwickeln, mit welcher die Geschwindigkeitsverteilung in der Düse
gemessen werden kann. Hierzu wurde ein Particle-Image-Velocimetry-basiertes (PIV) Messsystem
ausgewählt. Die mikroskopische Struktur des Strömungsgebietes (1mmx 1 mm), die
hohen Strömungsgeschwindigkeiten (200-500m/s) und das Auftreten von Kavitation machen
dabei die Realisierung neuartiger Ansätze sowohl bei der Messtechnik, als auch bei der softwaretechnischen
Umsetzung der Auswertung im Vergleich zu auf dem Markt erhältlichen
Standard-PIV-Paketen notwendig.