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.