Mantel, Regine (2017)
Über die Interaktion fast paralleler sowie kollidierender Kraftstoffsprays.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Über die Interaktion fast paralleler sowie kollidierender Kraftstoffsprays

Die Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs ist sowohl in Otto- als auch in Dieselmotoren ein maßgeblicher Faktor einer effizienten und sauberen Verbrennung. Zur Optimierung wurde in der Vergangenheit auf unterschiedlichste Zerstäubungsmechanismen gesetzt. Heutzutage dominiert jedoch die einfache Druckzerstäubung, deren Entwicklung in den letzten Jahren in Richtung immer höherer Einspritzdrücke ging. In dieser Arbeit werden zwei neuartige Einspritzkonzepte untersucht, die auf einer bewusst herbeigeführten Interaktion einzelner Sprays beruhen. In beiden Konzepten soll letztendlich die Interaktion einzelner Sprays eine verbesserte Zerstäubung sicherstellen. Indirekte Merkmale hierfür sind u.a. eine schnellere Verdampfung und ein erhöhtes Ansaugen umgebender Luft. Die für die Interaktion der Sprays relevanten Wirkzusammenhänge werden vorwiegend mit Hilfe optischer Messtechniken untersucht. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei dem nahe am Injektor gelegenen Interaktions- bzw. Kollisionsbereich gewidmet. Um eine gute optische Zugänglichkeit zu garantieren, werden für beide Konzepte Düsenmuster mit reduzierter Lochanzahl verwendet.

Für das Dieselspray werden einzelne Spritzlöcher durch Paare aus zwei kleineren, fast parallel ausgerichteten Löchern ersetzt, wobei der hydraulische Durchfluss des Injektors konstant gehalten wird. Primäres Ziel ist es, die Vorteile kleiner Löcher für die Zerstäubung bei Teillast auszunutzen, ohne deren Nachteil bei Volllast in Kauf nehmen zu müssen. Bei ausreichend großer Einspritzmenge soll die Vereinigung der beiden Sprays die gewünschte schnelle Penetration in den Brennraum sicherstellen. Im Vergleich zu konventionellen Dieselsprays mit gleichem hydraulischem Durchfluss sind für die „gruppierten“ Düsen kaum Unterschiede festzustellen. Die makroskopischen Strahlgrößen wie Luftansaugung und Verdampfung entsprechen denen der Referenzdüse. Detaillierte Untersuchungen bringen jedoch bereits vor der Interaktion Unterschiede im Kegelwinkel und in der Stabilität zwischen den beiden gruppierten Einzelsprays zum Vorschein. Diese Differenzen sind allerdings auf die Zuströmung von Kraftstoff in die einzelnen Spritzlöcher und nicht auf Interaktion der Sprays zurückzuführen. Überraschenderweise scheint das gruppierte Spray insgesamt stabiler als das Referenzspray zu sein und es lassen sich signifikante Unterschiede in der Impulsverteilung der beiden Einzelsprays vor der Interaktion finden. Ob diese Unterschiede jedoch generelle Eigenschaften gruppierter Sprays oder aber auf die Besonderheiten des verwendeten Musters zurückzuführen sind, kann nur durch weitere Untersuchungen geklärt werden.

Bei den Benzinsprays werden die einzelnen Spritzlöcher ebenfalls durch je ein Paar kleinerer Löcher ersetzt. Die Sprays werden allerdings unmittelbar nach Düsenaustritt unter einem Winkel von 30° bzw. 40° zur Kollision gebracht, wodurch sich die Zerstäubungsgüte verbessern soll. Das Druckniveau soll so gesenkt werden, um Kosten zu sparen und Ansprüche an das Material zu reduzieren. Durch die Kollision von zwei Einzelstrahlen in kurzem Abstand zur Düsenspitze entsteht eine instabile, schnell zerfallende Flüssigkeitslamelle. Die Untersuchungen zeigen, dass das sogenannte „Twinjetspray“ gegenüber Benzinreferenzsprays eine deutlich stärkere Luftströmung induziert und bei Einspritzung in eine heiße Atmosphäre auch schneller verdampft. Der erhoffte Effekt einer zu kleineren Durchmessern verschobenen Tröpfchengrößenverteilung bleibt hingegen größtenteils aus. Durch die andere räumliche Verteilung und die hinzugekommenen Freiheitsgrade können Twinjetsprays aber Vorteile in der Auslegung der inspritzventile bieten. Die Hauptthese, dass durch die Zerstäubung durch Kollision kleinere Tröpfchen entstehen, kann nicht bestätigt werden. Es werden aber in beiden untersuchten Konzepten andere vorteilhafte Eigenschaften registriert, sodass die Konzepte weiter verfolgt werden sollten. Nach den erfolgten grundlegenden Untersuchungen sind nun einerseits Motorversuche erforderlich, andererseits die robuste Integration der Konzepte in Serieninjektoren. Dies ist für die Dieselvariante deutlich einfacher zu realisieren, da das Konzept grundlegend weniger von der bewährten Einspritztechnik abweicht.

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