Einen maßgeblichen Einfluss auf die Reduktion der Schadstoffemissionen in neuen Triebwerksgenerationen hat die Kraftstoffaufbereitung in der Brennkammer. Hierzu werden verstärkt luftgestützte filmlegende Zerstäuber eingesetzt. Um die Entwicklung neuer Zerstäuberdüsen zu verbessern und zu beschleunigen, ist ein besseres Verständnis des Zerstäubungsprozesses und die Bestimmung der dominierenden Prozessparameter zwingend erforderlich.
An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an. Um die in industriell eingesetzten, rotationssymmetrischen Zerstäubern sich überlagernden Effekte zu trennen, werden die experimentellen Untersuchungen an abstrahierten, ebenen luftgestützten Modellzerstäubern mit Filmlegern durchgeführt. Analysiert wird hierbei der Einfluss der Zerstäubergeometrie, der physikalischen Eigenschaften diverser Ersatzkraftstoffe und einer Erhöhung des Umgebungsdrucks auf den Primärzerfall. Durch die gezielte Kombination dieser Parameter ist es möglich, die dominierenden Prozessgrößen, die am Zerfallsvorgang beteiligt sind, zu identifizieren. Basierend auf den experimentellen Daten werden Korrelationen entwickelt, die ohne weitere Skalierung für einen sehr weiten Betriebsbereich bei der Entwicklung neuer Zerstäuber eingesetzt werden können. Durch moderne bildgebende Messsysteme und eine entsprechende Nachverarbeitung der aus den Aufnahmen gewonnen Informationen ist es zudem möglich, zeitlich und räumlich hochaufgelöste Ergebnisse im Primärzerfallsbereich zu erhalten. Diese Daten können für die Validierung neuartiger numerischer Methoden eingesetzt werden können.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Die Reduktion von Luftschadstoffen zum Erreichen der Klimaschutzziele ist eine der Kernherausforderungen der Luftfahrtindustrie. Hierin spielt die Optimierung der Verbrennung eine zentrale Rolle, da die benötigten hohen Energiedichten flüssiger Kraftstoffe mittelfristig nicht durch Batterien zu ersetzen sind. Begrenzender Faktor im Auslegungsprozess ist dabei die eingeschränkte Vorhersagbarkeit der Kraftstoffzerstäubung, deren Details mit bisherigen Methoden nicht zugänglich sind.
Das Ergebnis der vorliegenden Dissertation löst diese vorherrschende Fragestellung und ermöglicht erstmals eine detaillierte, aber dennoch wirtschaftliche Berechnung der Kraftstoffinjektion mittels des neuartigen Berechnungsansatzes der eingebetteten DNS. Die Methodik wird systematisch untersucht, validiert und schließlich für die Geometrie eines in Flugtriebwerken eingesetzten Airblast-Injektors umgesetzt. Erstmals gehen hieraus Einblicke in die Zerstäubung sowie Spraydaten technisch realer Bedingungen hervor.
Aktualisiert: 2021-08-18
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In dieser Arbeit wird der Primärzerfall eines modernen Diesel- wie auch Ottoinjektors umfassend messtechnisch charakterisiert. Mit Hilfe der gewonnen Messdaten werden die grundlegenden Zerfallsmechanismen identifiziert.
Die Erfassung der Messdaten gliedert sich dabei in die Bereiche Aufnahme der Spraystruktur, Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung, Erfassung der Massenverteilung im Spray sowie einer geometrischen und hydraulischen Grundcharakterisierung des Gesamtsprays.
Im mikroskopischen Bereich werden dazu einfach wie mehrfach belichtete Röntgenphasenkontrastaufnahmen zur Erfassung der Struktur beziehungsweise der Geschwindigkeitsverteilung durchgeführt. Außerdem werden die Struktur mittels Light Sheet Fluorescence Microscopic Imaging sowie die Massenverteilung mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen erfasst. Zur makroskopischen Charakterisierung wird die Schlierenmesstechnik für das Dieselspray sowie die Schattenwurftechnik für das Ottospray herangezogen. Die hydraulische Vermessung erfolgt mit Hilfe des hydraulischen Druckanstiegssystems.
Für den Ottoinjektor wird der Einspritzdruck von 100 bar bis 240 bar variiert, für den Dieselinjektor von 250 bar bis 1500 bar. Beide Injektoren sind als drei-Loch Düsen mit gleichmäßig über den Umfang verteilten Löchern ausgeführt, da mit dieser Anordnung und Anzahl der bestmögliche Kompromiss aus voller optischer Zugänglichkeit der einzelnen Spraykeule und seriennaher Düseninnenströmung erreicht wird.
Um das komplexe Signal der Phasenkontrastmessungen vor allem bei der Überlagerung von Tropfen besser zu verstehen, wird eine Methodik entwickelt, um das Phasenkontrastsignal beliebiger Geometrien zu simulieren.
Aktualisiert: 2020-09-01
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Einen maßgeblichen Einfluss auf die Reduktion der Schadstoffemissionen in neuen Triebwerksgenerationen hat die Kraftstoffaufbereitung in der Brennkammer. Hierzu werden verstärkt luftgestützte filmlegende Zerstäuber eingesetzt. Um die Entwicklung neuer Zerstäuberdüsen zu verbessern und zu beschleunigen, ist ein besseres Verständnis des Zerstäubungsprozesses und die Bestimmung der dominierenden Prozessparameter zwingend erforderlich.
An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an. Um die in industriell eingesetzten, rotationssymmetrischen Zerstäubern sich überlagernden Effekte zu trennen, werden die experimentellen Untersuchungen an abstrahierten, ebenen luftgestützten Modellzerstäubern mit Filmlegern durchgeführt. Analysiert wird hierbei der Einfluss der Zerstäubergeometrie, der physikalischen Eigenschaften diverser Ersatzkraftstoffe und einer Erhöhung des Umgebungsdrucks auf den Primärzerfall. Durch die gezielte Kombination dieser Parameter ist es möglich, die dominierenden Prozessgrößen, die am Zerfallsvorgang beteiligt sind, zu identifizieren. Basierend auf den experimentellen Daten werden Korrelationen entwickelt, die ohne weitere Skalierung für einen sehr weiten Betriebsbereich bei der Entwicklung neuer Zerstäuber eingesetzt werden können. Durch moderne bildgebende Messsysteme und eine entsprechende Nachverarbeitung der aus den Aufnahmen gewonnen Informationen ist es zudem möglich, zeitlich und räumlich hochaufgelöste Ergebnisse im Primärzerfallsbereich zu erhalten. Diese Daten können für die Validierung neuartiger numerischer Methoden eingesetzt werden können.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Die Entwicklung von Motoren wird von strengen Abgasgrenzwerten und sinkendem Kraftstoffverbrauch getrieben. Für die Motorentwicklung wird hierbei zunehmend der Einsatz von Simulationswerkzeugen angestrebt. Besonders der Primärzerfall des Dieselsprays stellt dabei aber eine große Herausforderung dar, da hier einerseits die physikalischen Vorgänge sehr komplex sind, und andererseits die optische Zugänglichkeit und die messtechnische Erfassbarkeit aufgrund der kleinskaligen und schnellen Prozesse und des optisch dichten Sprays sehr schwierig ist. Ansgar Heilig hat am Institut für Technische Verbrennung in Hannover eine Methode weiterentwickelt, mit welcher die Länge des Flüssigkerns im Spray von Dieselinjektoren detektiert werden kann. Diese Methode konnte erstmals erfolgreich an realen Hochdruckinjektoren bei bis zu 2200 bar Einspritzdruck eingesetzt werden. Aus Hochgeschwindigkeitsmessungen konnte eine erste Korrelation zwischen der Flüssigkernlänge und der düsennahen Spraygeometrie gefunden werden. Zusätzlich wurde als messtechnischer Ansatz der Zusammenhang der transienten Düseninnenströmung mit den Zerfallsprozessen gemessen. Hierfür wurden spezielle Transparentdüsen entwickelt. Damit können gezielt Parameter und deren Einfluss auf verschiedene Strahlaufbruchsmechanismen untersucht werden. Hierdurch rückt das Ziel in erreichbare Nähe, mit detaillierten Messungen verlässliche Daten zum primären Sprayaufbruch von Dieseleinspritzvorgängen zu bekommen.
Aktualisiert: 2019-10-17
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