Neubert, Vinzenz Markus (2015)
Experimentelle Untersuchung der Brennraumströmung eines Zweiventil-Dieselmotors.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Gasströmung im Inneren eines Verbrennungsmotors beeinflusst maßgeblich dessen Verbrauch, Emissionen und Leistung. Turbulenz ist dabei von zentraler Bedeutung. Sie steuert grundlegend den Spezientransport während der Gemischbildung und der Entflammung, die Brenngeschwindigkeit während der Kraftstoffumsetzung sowie den Wärmetransport hin zu den Brennraumwänden in der Expansion. Schwankungen der Gasströmungen zwischen einzelnen Zyklen stellen dabei einen wesentlichen Punkt dar, der die Effizienz sowie die Abgasqualität heutiger Motoren beschränkt. Somit kommt der Analyse der Ladungsbewegung und ihrer zyklischen Schwankungen eine Schlüsselfunktion bei der Optimierung aktueller und der Entwicklung zukünftiger Brennverfahren zu.

Ziel dieser Arbeit war deshalb die Untersuchung der Zylinderinnenströmung eines Zweiventil-Dieselmotors sowie deren zyklische Schwankungen unter realistischen Betriebsbedingungen im gesamten Brennraum. Hierzu wurde zuerst ein Transparentmotor aufgebaut, der uneingeschränkten optischen Zugang in den Brennraum erlaubt. Zudem wurden Tracerpartikel ermittelt, die für den Einsatz in Transparentmotoren geeignet sind und Messungen über die gesamte Kompressionsphase hinweg erlauben. Für die Verwendung dieser Partikel am Motor musste ein Partikelgenerator entsprechend modifiziert werden. Umfas¬sende Untersuchungen der Brennraum¬strömung wurden zuerst mithilfe konventioneller Particle Image Velocimetry (PIV) und anschließend mittels High-Speed Particle Image Velocimetry (HS-PIV) durchgeführt. Anhand der Messdaten wurden des Weiteren die zeitliche und räumliche Entwicklung der Brennraumströmung sowie deren zyklische Variabilität analysiert. Ab¬schließend konnte gezeigt werden, dass sowohl Motor, Tracerpartikel und Messsystem auch für die Untersuchung von Einspritzvorgängen bzw. der Interaktion von Kraftstoffstrahl und Gasströmung geeignet sind.

Neben der Untersuchung von Strömungsstruktur und Geschwindigkeit erfolgte eine Analyse der Messdaten auch mittels statistischer Verfahren. Für jedes der Vektorfelder wurde auf Basis der klassischen Reynolds-Zerlegung die kinetische sowie die turbulente kinetische Energie des Strömungsfelds ermittelt. Da die mittels Reynolds-Zerlegung berechnete turbulente kinetische Energie immer auch Geschwindigkeitsschwankungen der Turbulenz zuschlägt, die ihren Ursprung in der zyklischen Variabilität großer Strömungsstrukturen haben, wurde mittels der Proper Orthogonal Decomposition versucht, den Beitrag großskaliger Schwankungen von dem kleinskaliger, turbulenter Schwankungen (POD) zu trennen. In enger Abstimmung zur experimentellen Analyse erfolgte die simulative Analyse der Ladungsbewegung desselben Motors in der Arbeit von Eva Brußies. Auf Basis der Simulation konnten wertvolle Erkenntnisse darüber gewonnen werden, in welchem Maße die turbulente kinetische Energie durch die PIV-Messungen erfasst wird.

Die im Zuge der Arbeit durchgeführten Untersuchungen tragen wesentlich zur Verbesserung des Verständnisses der Strömungsvorgänge im Inneren eines Dieselmotors bei. Außerdem stellen die Ergebnisse der Messungen aufgrund ihrer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie ihres außerordentlichen Umfangs eine wertvolle Basis für die Validierung von Strömungssimulationen dar. Durch den erstmaligen und erfolgreichen Einsatz von Graphitpartikeln als Tracer in Verbindung mit einem High-Speed PIV-System mit relativ geringer Laserenergie zur Analyse innermotorischer Strömungsvorgänge eines Dieselmotors wurde der Weg geebnet für vielfältige, weiter¬gehende Untersuchungen, die das Verständnis von Strömung, Gemischbildung und Verbrennung sowie deren Schwankungen zwischen Zyklen weiter vertiefen werden.

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