LEHRSTUHL FÜR

TECHNISCHE THERMODYNAMIK

Kurzfassung

Das strahlgeführte Brennverfahren bietet beim Ottomotor die Möglichkeit, den Kraftstoffverbrauch in der Teillast im Vergleich zum Homogenbetrieb deutlich abzusenken. Charakteristisch für dieses Brennverfahren sind die injektornahe Anordnung der Zündkerze sowie die enge zeitliche Abfolge von Einspritzung und Zündung. Bisher in der Serie eingesetzte Verfahren verwenden einen Piezo-Injektor mit A-Düse. Das Spray dieser Düse bildet ein charakteristisches Randwirbelgebiet aus, das als Zündgebiet genutzt wird. Der Gemischbildungsprozess wird somit von der Dynamik des Kraftstoffsprays dominiert. Die Zündung wird typischerweise noch während des Einspritzvorganges eingeleitet, woraus aus der kurzen Gemisch­bildungszeit hohe Anforderungen an die Gemischentflammung resultieren. So treten am Zündort zum Zündzeitpunkt hohe Strömungsgeschwindigkeiten auf sowie starke zeitliche und räumliche Gradienten des Luftverhältnisses. Weiterhin liegt der Kraftstoff in noch wesentlichem Maße in flüssiger Form vor. In der vorliegenden Arbeit werden die Spraycharakteristik der Piezo-A-Düse experimentell untersucht sowie die relevanten Einflussparameter anhand eines phänomenologischen Modells bewertet. Das Kraftstoffspray wird unter Druckkammerbedingungen mittels optischer Messmethoden untersucht. Im Mittelpunkt steht hierbei die Analyse des als Zündgebiet genutzten Randwirbels. Die Untersuchungen werden für einen typischen Teillastbetriebspunkt unter Variation der Anzahl der Einspritzungen, des Kammerdrucks, der Kammertemperatur sowie der Injektoransteuerdauer durchgeführt. Die globale Sprayausbreitung wird mit dem Schatten- und Schlierenverfahren mittels Hochgeschwindigkeits­visualisierung untersucht. Im Rand­wirbelgebiet werden mit der Phasen-Doppler-Anemometrie sowohl Tropfendurch­messer als auch ‑geschwindigkeiten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung bestimmt. Es wird weiterhin ein Extinktionsmessverfahren eingesetzt, mit dem der flüssige Kraftstoffanteil im Randwirbel der Piezo-A-Düse erstmals experimentell quantitativ erfasst werden kann. Hierzu wird ein neuer Ansatz zur Berechnung des mittleren Extinktions­koeffizienten Q_ext entwickelt. Die Kombination der Ergebnisse aus den optischen Messungen mit den motorischen Untersuchungen trägt wesentlich zum besseren Verständnis der Entflammung beim strahlgeführten Brennverfahren bei. So kann das motorisch ermittelte Entflammungsverhalten auf die hierfür ursächlichen Gemischparameter zurückgeführt werden. Neben den experimentellen Arbeiten werden die für die Sprayzündung relevanten Einflussgrößen anhand eines aus der Literatur entnommenen phänomenologischen Modells beurteilt. Im Rahmen einer qualitativen Sensitivitätsanalyse werden die Parameter hinsichtlich verdunstungs- und reaktionskinetischer Effekte bezüglich der Gemischentflammung untersucht.

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Carl Zeiss AG, Jena