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Quantitative Untersuchungen zur Zylinderinnenströmung, Gasphasentemperatur und frühen Flammenausbreitung mittels bildgebender Messtechniken

Schild, Martin

Optische in-situ Messtechniken ermöglichen eine berührungsfreie räumliche und zeitliche Analyse der hoch instationären Vorgänge in Verbrennungsmotoren. Abbildende innermotorische Messungen von Strömungsgeschwindigkeiten, Gasphasentemperaturfluktuationen und Flammenausbreitung sind Schwerpunkt dieser Arbeit. In einem optisch zugänglichen Einzylinder-Ottomotor wurden die für den Wandwärmeübergang und die Selbstzündkinetik wichtigen vektoriellen und wandnahen skalaren Grö-ßen hochaufgelöst und quantitativ abgebildet. Zusätzlich wurde in Experimenten der Einfluss zykli-scher Schwankungen auf die frühe Flammenausbreitung untersucht, sowie die Interaktion der Flam-menfront mit dem Feuerstegvolumen analysiert. Als ortsaufgelöste quantitative Messtechniken wurden Particle Image Velocimetry (PIV) und laserinduzierte Tracerfluoreszenz (Tracer-LIF) eingesetzt. Für die Visualisierung der Zündung und der frühen und späten Flammenausbreitung wurde das Eigen-leuchten der Verbrennung bei kHz-Raten detektiert. Der Großteil der experimentell gewonnenen Da-tensätze floss in die Validierung von Grobstruktursimulationen (LES) bei verschiedenen Projektpart-nern ein, deren Ergebnisse hier zusammenfassend dargestellt sind. Neben den Untersuchungen am optisch zugänglichen Verbrennungsmotor wurden weitere Strömungs-messungen an einem stationär durchströmten Zylinderkopf mit gleicher Geometrie durchgeführt. Der Fokus dieser Experimente lag dabei auf einer systematischen Analyse der Einlassströmung. Die lokale Strömungsablösung am Einlassventil und Ventilspalt sowie die nachfolgende Ausbildung (teil)kohärenter Strömungsstrukturen im Zylinder wurden dabei mithilfe räumlich hochauflösender PIV bei unterschiedlichen Einlassrandbedingungen untersucht.

Non-intrusive optical in-situ diagnostics enable detailed analysis of the unsteady processes in internal combustion engines. The focus of this work were two-dimensional measurements of flow velocities, gas-temperature fluctuations, and flame propagation in an IC engine. The quantities relevant for wall-heat transfer and auto ignition were imaged with high resolution in an optically accessible single-cylinder spark-ignited engine. Also, the impact of cyclic variability on early flame propagation was studied, as well as the interaction of the flame front with the top-land crevice volume. Particle image velocimetry (PIV) and laser-induced tracer fluorescence (tracer-LIF) were applied for quantitative two-dimensional measurements. For the visualization of ignition and early and late flame propagation, chemiluminescence was imaged at kHz rates. The majority of the recorded datasets was used to validate large-eddy simulations (LES) of collaborators, whose results are briefly summarized for reference. In addition to the investigations in the optically accessible IC engine, further flow measurements were carried out in a cylinder head with the same geometry on a flow bench. The focus of these experiments was on a systematic analysis of intake flow. The local flow separation at the intake valve and the valve gap as well as the subsequent formation of semi-coherent flow structures in the cylinder were studied for a range of intake conditions using high-resolution two-component PIV.

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Schild, Martin: Quantitative Untersuchungen zur Zylinderinnenströmung, Gasphasentemperatur und frühen Flammenausbreitung mittels bildgebender Messtechniken. 2016.

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