Charakterisierung Der Tropfen-Wand-Interaktion Im Parameterbereich Von Ottomotoren Mit Direkteinspritzung

Zentrale Ziele gegenwartiger Entwicklungen auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren sind Wirkungsgraderhohung zur Einsparung fossiler Brennstoffe und Verringerung von Schadstoffemissionen. Grosses Potential zur Wirkungsgradsteigerung des Ottomotors weist die Direkteinspritzung auf. Dabei lasst sich der Kontakt von Einspritzstrahl und Kolbenoberflache nur in wenigen Betriebsbereichen vermeiden. Aus diesem Grund spielt die Interaktion des Einspritzstrahls mit der Kolbenoberflache im Kontext der Gemischbildung eine bedeutende Rolle. Der Sprayaufprall wird von der zeitlichen und raumlichen Interaktion von mehreren Aufprallereignissen dominiert. Die im Rahmen der vorgestellten Arbeit durchgefuhrten Untersuchungen zum Aufprall eines realen DI-Sprays zeigen die massive zeitliche und raumliche Uberlagerung, sowie die sehr kurzen zeitlichen und sehr kleinen raumlichen Fenster, die dem einzelnen Tropfen fur das Aufprallereignis zur Verfugung stehen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird zum einen erstmals der Aufprall von einzelnen mikrometergrossen Tropfen unter realitatsnahen Bedingungen umfassend analysiert. Zum anderen wird darauf aufbauend die zeitliche und raumliche Interaktion von Aufprallereignissen unter vergleichbaren Randbedingungen detailliert untersucht. Diese Experimente stellen besondere Anforderungen an den Versuchsaufbau, die Versuchsdurchfuhrung und die Messtechnik. Zur Losung dieser Herausforderung wird ein Versuchsaufbau vorgestellt, der eine bildgebende Untersuchung der Aufprallereignisse unter verschiedensten Bedingungen ermoglicht. Mit Hilfe von computergestutzten Bildanalysetechniken, die an die komplexen Herausforderungen der durchgefuhrten Experimente angepasst wurden, wird neben quantitativen Grossen wie Geschwindigkeit und Grosse von Tropfen auch ein visueller Eindruck der ablaufenden Prozesse gewonnen. Insbesondere eine visuelle Kontrolle und Analyse ist fur die Identifizierung von Prozessen und physikalischen Vorgangen essentiell wichtig. Der erstmals durchgefuhrte Vergleich der dynamischen Vorgange beim Aufprall von mikrometergrossen Tropfen mit Ergebnissen von millimetergrossen Tropfen aus der Literatur ergibt eine gute qualitative Ubereinstimmung. Detaillierte Untersuchungen zur Entstehung von Sekundartropfen beim Aufprall auf eine heisse Oberflache zeigen deutliche Unterschiede zum Aufprall von millimetergrossen Tropfen auf. Es wird eine Schwelle der Aufprallenergie hergeleitet, unterhalb derer ein bislang unbeobachtetes Phanomen auftritt, das als ?Thermische Reflexion? bezeichnet wurde. Dieses wird von dem Verhaltnis der Zeitskalen der Lamellenausbreitung und der Warmeubertragung dominiert und tritt nur bei mikrometergrossen Tropfen in der gezeigten Form auf, weshalb es in dieser Arbeit erstmals nachgewiesen werden konnte. Da die Bedingungen, unter denen Thermische Reflexion auftritt, im Zentrum des Parameterbereichs von Ottomotoren mit Direkteinspritzung liegen, kommt diesem Phanomen eine sehr grosse Bedeutung zu. Generell wird in der Arbeit die Notwendigkeit und der Nutzen von Experimenten unter realitatsnahen Bedingungen bestatigt. Verschiedene Vorgange werden detailliert dargestellt, die zu einer Weiterentwicklung und Validierung der numerischen Simulation beitragen konnen. Auf Basis der vorgestellten Ergebnisse weiterentwickelte Modelle konnen der Vorentwicklung von Verbrennungsmotoren ein Werkzeug an die Hand geben, das eine Verkurzung der Entwicklungszeiten ermoglicht. Eine zuverlassige Berechnung der Gemischbildung erlaubt eine fruhzeitige Optimierung von Parametern, die die Grundlage einer wirkungsgradoptimalen und schadstoffarmen Verbrennung bilden. Diese vorgeschaltete rechnerunterstutzte Optimierung kann die kostenintensive prufstandsbasierte Prototypenerprobung erheblich verkurzen.