Dr.-Ing. Florian Schulz
Titel der Dissertation
Untersuchung der Wandfilmbildung bei der Benzindirekteinspritzung unter Nutzung optischer Messverfahren
Verteidigung am
20.07.2016,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Gutachter
- Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt
- Prof. Dr.-Ing. H. Rottengruber
- Dr.-Ing. Wolfgang Samenfink
Kurzfassung
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Kraftstoffwandfilme unter den Bedingungen eines homogen betriebenen Benzinmotors untersucht. Die während der Einspritzung auftretende Benetzung der Brennraumwände ist eine der Hauptursachen der innermotorischen Rußpartikelentstehung. Um die motorische Rußpartikelemission zu minimieren, muss für gegebene Injektoren und Einbaubedingungen der Wandfilmbildungsprozess und der Einfluss der Betriebsparameter auf die Kraftstoffablagerung untersucht werden.
Um in den Untersuchungen wohldefinierte und reproduzierbare Messbedingungen zu gewährleisten, wurden die Messungen überwiegend in einer optisch zugänglichen und thermisch konditionierbaren Druckkammer durchgeführt. Zur Spraygenerierung kam ein Sechsloch-Hochdruckeinspritzventil, wie es auch in modernen GDI-Motoren verbaut ist, zum Einsatz.
Für die Gewinnung tieferer Einblicke in den Wandfilmentstehungsprozess wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen unter Nutzung der etablierten Verfahren der Hochgeschwindigkeitsvisualisierung, der Particle Image Velocimetry und der Phasen Doppler Anemometrie durchgeführt. Um neue Erkenntnisse über die Spray/Wand-Interaktion zu gewinnen, wurde darüber hinaus eine neue Auswertemethodik für das eingesetzte infrarotthermographische Messverfahren entwickelt. Einen weiteren Kernpunkt dieser Arbeit stellt die Quantifizierung der Wandfilme dar, dafür wurde eine auf der laserinduzierten Fluoreszenz basierende Methode weiterentwickelt und erfolgreich eingesetzt. Durch die Anwendung der verschiedenen Messverfahren konnten unter anderem die makroskopischen und mikroskopischen Sprayeigenschaften ermittelt und der Wärmetransport zwischen Spray und Wand sowie zwischen Wandfilm und Wand charakterisiert werden. Des Weiteren resultierten aus den Fluoreszenzmessungen die Wandfilmhöhen und -massen.
Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Bestimmung des Einflusses der Betriebsparameter auf die Wandfilmentstehung. Zu den variierten Betriebsparameter zählen unter anderem der Raildruck, die Kraftstofftemperatur, der Zylinderdruck, die Zylindertemperatur, die Wandtemperatur, das Einspritztiming und der Sprayauftreffwinkel. Um die Einflüsse der Vielzahl an Betriebsparametern zu erfassen und zu visualisieren, wurde die Methode der statistischen Versuchsauswertung eingesetzt. Die abschließende Zusammenführung der Ergebnisse ermöglichte die Ermittlung des Einflusses der Sprayeigenschaften auf die Kraftstoffablagerung. Darüber hinaus konnte der Wandfilmbildungsprozess unter den vielfältigen Randbedingungen qualitativ charakterisiert werden und die dominierenden physikalischen Prozesse wurden erstmals umfassend bestimmt.
Mit den durch die vorliegenden Untersuchungen ermittelten quantitativen Ergebnissen steht eine breite Datenbasis für die Weiterentwicklung von Simulationsmodellen und für die Brennverfahrensentwicklung zur Verfügung. Im Hinblick auf die aktuelle Abgasgesetzgebung leisten die gewonnenen Erkenntnisse einen wichtigen Beitrag zur Optimierung der Einspritzstrategie und der Sprayauslegung. Die vorliegende Arbeit enthält darüber hinaus vielfältige Informationen und Erkenntnisse, die auch in der zukünftigen Brennverfahrensentwicklung von praktischem Nutzen sein werden.