Laseroptische Untersuchungen des Einflusses alternativer Bio-Kraftstoffe auf die ottomotorische Gemischbildung

Mathieu, Florian; Schröder, Wolfgang; Kneer, Reinhold

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-008619

Laseroptische Untersuchungen des Einflusses alternativer Bio-Kraftstoffe auf die ottomotorische Gemischbildung = Laser-optical investigations of the influence of alternative biofuels on gasoline engines' mixture formation

Mathieu, Florian

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Florian Mathieu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangXVI, 190 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-008619
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/463093/files/463093.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/463093/files/463093.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Motorische Sprühstrahlen (frei) ; Ballistic Imaging (frei) ; Laser-Correlation-Velocimetry (frei) ; Visualisierung (frei) ; Hohlkegelinjektor (frei) ; Alternative Kraftstoffe (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Bildung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches in direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren wird maßgeblich von den fluidmechanischen und thermodynamischen Stoffeigenschaften des Kraftstoffs bestimmt. Besondere Bedeutung für den Gemischbildungsprozess hat der düsennahe Zerfall des eingespritzten, flüssigen Kontinuums in erste Tropfen und Ligamente, der die Anfangsbedingung für die folgenden Tropfeninteraktionen und den Verdunstungsprozess darstellt.Die laseroptischen Untersuchungen zur Charakterisierung von Strahlzerfall und Gemischbildung erfolgen anhand von zehn verschiedenen Modellkraftstoffen. Dabei wird stets der gleiche Hohlkegelinjektor eingesetzt, der Anwendung als Serieninjektor in direkteinspritzenden Ottomotoren findet. Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit am Düsenaustritt wird die Methode „Laser-Correlation-Velocimetry" eingesetzt und aus den Daten eine explizite Korrelation zur Bestimmung der Düsenaustrittsgeschwindigkeiten abgeleitet, deren Kenntnis die Bestimmung der Reynoldszahl erlaubt. Zur Diagnostik des Strahlzerfalls wird die Anwendbarkeit von „Ballistic Imaging" als bildgebende Technik ausführlich untersucht und mit klassischer Bildgebung verglichen. Die gewonnenen Daten dienen schließlich der Erstellung des Ohnesorge-Diagramms zur Unterscheidung der auftretenden Zerfallsregime. Außerdem wird die Möglichkeit zur Quantifizierung der Bilder anhand ihrer Fouriertransformierten untersucht. Die Charakterisierung der Gemischbildung erfolgt unter motorrelevanten Bedingungen in einer Hochdruckkammer, die Temperatur und Druck im Brennraum eines Motors zum Einspritzzeitpunkt abbildet. Als maßgebende Zielgrößen für die Gemischbildungsqualität dienen die Eindringtiefe der flüssigen Phase sowie die Verweildauer flüssiger Tropfen in der Kammer, die aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen des Sprühstrahls abgeleitet werden. Die Ergebnisse zeigen insbesondere, dass die Modellkraftstoffe 2-Methylfuran und 2-Methyltetrahydrofuran vielversprechende Kandidaten für die ottomotorische Anwendung sind.

The formation of an ignitable air-fuel mixture in direct-injection internal combustion engines is largely affected by the fluid mechanical and thermodynamic properties of the fuel. The early disintegration of the liquid continuum into primary droplets and ligaments is of particular importance for the mixture formation process, because it represents the initial condition for subsequent droplet interactions and the evaporation process.The laser-optical studies for characterization of sheet breakup and mixture formation are conducted by means of ten different model fuels. Throughout all experiments, the same outwardly opening nozzle for gasoline direct injection engines is used. The method "Laser Correlation Velocimetry" is employed to measure flow velocities at the nozzle outlet and the data is analyzed to derive an explicit correlation for these velocities, that are required to determine Reynolds numbers. For diagnostics of sheet/jet breakup, the applicability of "Ballistic Imaging" is examined in detail and compared to classical shadowgraphy. The acquired images finally allow to distinguish between different breakup regimes, which leads to the according Ohnesorge diagram. Furthermore, the possibility to quantify the images by means of their Fourier transforms is investigated.In order to provide engine-relevant conditions, the investigations of mixture formation are conducted in a high pressure chamber simulating in-cylinder pressure and temperature at the time of injection. Penetration length of the liquid phase and residence time of liquid droplets in the chamber serve as target properties to assess mixture formation quality. Those properties are derived from high-speed visualizations. The results indicate that the model fuels 2-Methylfuran and 2-Methyltetrahydrofuran are promising candidates for application in gasoline engines.

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