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Bestimmung der Kraftstoffdampfkonzentration in einem Dieselspray in einer Hochdruck/Hochtemperatur-Brennkammer mittels Rayleighstreuung

Adam, Anne

Ein detailliertes Verständnis von Verbrennungsprozessen und der zugehörigen Bildung von Schadstoffen kann nur auf Grundlage detaillierter Kenntnisse über die Bedingungen im Brennraum erfolgen. Die zeitliche und räumliche Entwicklung der Kraftstoff- und Luftverteilung ist dabei eine besonders wichtige Größe. Um solche Informationen zu erhalten, die auch für die Validierung von 3D-CFD-Simulationen essentiell sind, sind quantitative, genaue und störungsfreie Messtechniken erforderlich. Zur Untersuchung der Kraftstoff-Luft-Gemischbildung ist die Rayleighstreuung ein vielversprechendes Verfahren, da der Zusammenhang zwischen Signalstärke und lokaler Kraftstoffkonzentration relativ leicht ermittelt werden kann und unabhängig von lokalen Umgebungseigenschaftenwie Temperatur, Druck und Sauerstoffgehalt ist. In Rahmen dieser Arbeit wurden verdampfende Dieselsprays mittels kombinierter Rayleigh- und Mie-Streulichtmesstechnik untersucht. Die Messungen erfolgen in einer optisch zugänglichen Hochdruck-, Hochtemperatur-Brennkammer, in welcher Umgebungsbedingungen realisiert werden können, die denen einer Dieseleinspritzung entsprechen. Für quantitative 2D-Messungen der Kraftstoffkonzentration wurde ein Einkomponenten-Kraftstoff (n-Dekan) verwendet, die Einspritzungen erfolgten in einer inerten Umgebung und eine Kalibriermethode mit Propan als Referenzgas wurde entwickelt und getestet. Diese Methode führt zu einer relativen Genauigkeit von ca. 4% im Bereich der Sprayachse und 10% am Sprayrand. Die Trennung zwischen Licht, das von flüssigen Kraftstofftröpfchen oder verdampften Kraftstoff gestreut wurde, ist allerdings schwierig, da es sich in beiden Fällen um elastische Streuprozesse handelt. Im ersten Fall (Miestreuung) ist die Tröpfchengröße im Vergleich zur Wellenlänge des einfallenden Laserlichtschnitts sehr hoch; im zweiten Fall (Rayleighstreuung) sind die Streuzentren einzelne Kraftstoffmoleküle und damit viel kleiner als die einfallende Wellenlänge. Im Spray können drei unterschiedliche Bereiche identifiziert werden, wenn die Polarisation des einfallenden und des gestreuten Lichts berücksichtigt wird. Charakteristisch für diese Bereiche ist eine moderate, geringe oder vernachlässigbar geringe Konzentration an nicht-verdampften Kraftstofftröpfchen. Für die zugehörigen Experimente wurden zwei unterschiedliche Konfigurationen untersucht: Zuerst wurde mit einer einzelnen Kamera gearbeitet und die unterschiedlichen Polarisationkomponenten nacheinander aufgezeichnet. In einem zweiten Schritt wurden zwei Polarisationszustände simultan, d.h. während der gleichen Einspritzung, aufgezeichnet. Im Vergleich zu rein qualitativen Aufnahmen der flüssigen und verdampften Anteile eines Sprays, die z.B. mit einer kombinierten Schlieren-/Mie-Technik erzielt werden können, sind die Rayleigh-/Mie-Bilder deutlich detaillierter und können teilweise quantitativ ausgewertet werden. Die Anwendbarkeit der Technik wird jedoch bei niedrigen Temperaturen durch eine unzureichende Trennung zwischen flüssigem und verdampftem Kraftstoff begrenzt, und bei sehr hohen Temperaturen durch die Pyrolyse der Kraftstoff-moleküle.

A detailed understanding of the combustion process and the formation of pollutants in a Diesel engine needs to be based on an exact knowledge of the evolution of the spatial distribution of fuel and air within the engine cylinder. Such knowledge, which is also essential for the validation of 3D-CFD simulations, can only be obtained via the use of quantitative, accurate and non-intrusive measurement techniques. For the study of fuel-air mixing, Rayleigh scattering is a promising technique, as a relatively straightforward relationship between signal strength and local fuel concentration can be established, and because this relationship is independent of the local temperature, pressure and oxygen content. Within the framework of this thesis, evaporating Diesel sprays are studied via combined Rayleigh and Mie scattering measurements in an optically accessible high-pressure/high-temperature cell that reproduces the thermodynamic conditions found in the combustion chamber of a Diesel engine during injection. For quantitative two-dimensional measurements of fuel concentrations, a single-component fuel (n-decane) is used, injections are carried out in an inert atmosphere, and a calibration method based on propane as a reference gas is developed and tested. This method leads to a relative measurement accuracy of about 4% along the spray axis and 10% near the edge of spray. It is difficult to distinguish between light scattered by liquid or evaporated fuel, as both scattering processes are elastic. In the former case (“Mie scattering”), droplets are large compared to the wavelength of the incident laser light sheet; in the latter case (“Rayleigh scattering”), the scattering centers are individual fuel molecules, which are much smaller than the laser wavelength. However, three different regions in the spray, which are characterized by a moderate, low or negligible concentration of liquid fuel droplets can be distinguished when the polarization of the incident and signal light is considered. Two different imaging setups are also investigated: First, a single camera is used and the different polarization components are recorded subsequently; Second, two cameras are used and two polarization components can be recorded simultaneously, i.e. during the same injection event. Compared to global images of the distributions of the liquid and vapor phases of the injected fuel, which are obtained using a combined schlieren and Mie scattering setup, the Rayleigh/Mie images reveal significantly more details about the spray structure. However, the applicability of the technique is limited at low temperatures because of an insufficient separation of the liquid and vapor phases, and at very high temperatures because of pyrolysis of the fuel molecules.

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Adam, Anne: Bestimmung der Kraftstoffdampfkonzentration in einem Dieselspray in einer Hochdruck/Hochtemperatur-Brennkammer mittels Rayleighstreuung. 2013.

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