Bork, Benjamin Sebastian (2017)
Tropfenverdampfung in transkritischer Umgebung: Untersuchung mit laserspektroskopischen Methoden.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Weiterentwicklung von Dieselmotoren und Gasturbinen führt zu stetig steigenden Brennraumdrücken. Mit zunehmender Verdichtung steigt auch die Temperatur, die im Brennraum zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung herrscht. So werden leicht Bedingungen erreicht, die den kritischen Punkt typischer Flüssigkraftstoffe hinsichtlich Druck und Temperatur übersteigen. Der Prozess der transkritischen Kraftstoffverdampfung ist zurzeit noch unzureichend verstanden und daher Thema aktueller Forschungsarbeiten. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, anstelle eines komplexen technischen Systems wie dem Spray eines mehrkomponentigen Kraftstoffs, einen einzelnen Tropfen einer einkomponentigen Flüssigkeit zu untersuchen.

Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der transkritischen Tropfenverdampfung zum Ziel eines besseren Verständnisses dieses Prozesses und der Bereitstellung von Daten für die Validierung numerischer Modelle. Zunächst werden verschiedene Methoden auf ihre Eignung für die Messung relevanter physikalischer Größen an verdampfenden Tropfen hin untersucht. Dazu werden sie unter kontrollierten Bedingungen charakterisiert und zum Teil an verdampfenden Einzeltropfen eingesetzt. Eine dieser Methoden ist die Laserinduzierte Fluoreszenz und Phosphoreszenz (LIFP) von Aceton zur Unterscheidung zwischen Flüssig- und Gasphase. Die LIFP von Aceton wird in dieser Arbeit außerdem zu einer Messmethode für die Tropfentemperatur weiterentwickelt.

Als dritte Methode wird die Raman-Spektroskopie zur Messung von Stoffkonzentrationen in der Gasphase eingesetzt. Zunächst werden Voruntersuchungen mittels Spektrometer vorgestellt, deren Ergebnisse zur Entwicklung einer Messeinrichtung für die bildgebende Raman-Spektroskopie beigetragen haben. Das resultierende Messsystem dient der Messung zweidimensionaler Verteilungen der Kraftstoffkonzentration. Unter Verwendung thermischer Zustandsgleichungen und einer Modellannahme wird dieses System für die Messung von Temperaturverteilungen in der Gasphase im Nachlauf verdampfender Tropfen erweitert.

Die bildgebende Raman-Spektroskopie wird auf Tropfen fünf verschiedener Kraftstoffe bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen angewendet. Darin zeigt sich ein deutlicher Temperaturrückgang im Nachlauf aller vermessenen Tropfen, der darauf hindeutet, dass die Oberflächentemperatur der Tropfen deutlich unter der Umgebungstemperatur bleibt und die Tropfen unter den betrachteten Bedingungen stark durch Verdampfung gekühlt werden.

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