Charakterisierung der Tropfen-Wand-Interaktion im Parameterbereich von Ottomotoren mit Direkteinspritzung:
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Berlin
Logos-Verl.
2007
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| Series: | Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Universität Karlsruhe (TH)
31 |
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| adam_text | CHARAKTERISIERUNG DER TROPFEN-WAND- INTERAKTION IM PARAMETERBEREICH VON
OTTOMOTOREN MIT DIREKTEINSPRITZUNG ZUR ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADES
EINES DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN VON DER FAKULTAET FUER
MASCHINENBAU DER UNIVERSITAET KARLSRUHE GENEHMIGTE DISSERTATION VON
DIPL.-ING. BOYKE RICHTER AUS KARLSRUHE TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG: 9.
OKTOBER 2006 HAUPTREFERENT: O. PROF. DR.-ING. DR.-ING. E.H. DR. H.C.
MULT. SIGMAR WITTIG KORREFERENT: O. PROF. DR.-ING. ULRICH SPICHER
INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGEN III TABELLEN VII SYMBOLE VM 1 EINLEITUNG
1 2 KENNTNISSTAND UND ZIELSETZUNG 3 2.1 GRUNDLAGEN DER PHYSIKALISCHEN
PROZESSE DER TROPFENBILDUNG 5 2.1.1 ZERFALL EINES STRAHLS 5 2.1.2
ZERFALL EINER LAMELLE 8 2.2 AUFPRALL VON EINZELNEN TROPFEN 10 2.2.1
TROCKENE WAND 11 2.2.2 BENETZTE WAND 19 2.2.3 HEISSE WAND 28 2.2.4
WEITERGEHENDE PHAENOMENE DES TROPFENAUFPRALLS 35 2.3 AUFPRALL VON SPRAYS
36 2.4 GRENZEN DER BISHERIGEN EXPERIMENTELLEN ANALYSE DES
TROPFENAUFPRALLS 38 2.5 NUMERISCHE SIMULATION DER
TROPFEN-WAND-INTERAKTION 40 2.5.1 RECHNUNGEN MIT EINZELNEN TROPFEN 40
2.5.2 MODELLIERUNG DES SPRAYAUFPRALLS 43 2.6 ZIELSETZUNG DER ARBEIT 45 3
VERSUCHSAUFBAU UND MESSTECHNIK 47 3.1 TROPFENERZEUGUNG 47 3.1.1
TROPFENGENERATOR FUER EINZELTROPFEN 48 3.1.2 BESCHLEUNIGUNGSVORRICHTUNG
FUER EINZELTROPFEN 49 3.1.3 SELEKTIONSEINHEIT ZUR KONTROLLE DER
EINZELTROPFEN 50 3.1.4 ERZEUGUNG VON TROPFENKETTEN UND MONODISPERSEN
SPRAYS 52 3.2 WANDELEMENT 53 3.3 MESSTECHNIK 55 INHALT 3.3.1
BILDAUFNAHMESYSTEME 58 3.3.2 OBJEKTIV 61 3.3.3 BELEUCHTUNG 63 3.3.4
BILDAUSWERTUNG 65 4 EXPERIMENTE ZUM TROPFENAUFPRALL 69 4.1 WANDAUFPRALL
EINES REALEN DI-SPRAYS 69 4.2 WANDAUFPRALL VON EINZELNEN TROPFEN 74
4.2.1 DYNAMISCHES VERHALTEN 74 4.2.2 THERMISCHES VERHALTEN 79 4.3
ZEITLICHE INTERAKTION VON AUFPRALLEREIGNISSEN 88 4.3.1 AUSWIRKUNG AUF
DIE REGIMEEINTEILUNG 89 4.3.2 EIGENSCHAFTEN DER SEKUNDAERTROPFEN 93 4.4
RAEUMLICHE UND ZEITLICHE INTERAKTION VON AUFPRALLEREIGNISSEN 99 4.5
ZUSAMMENFASSENDE BETRACHTUNG DER EXPERIMENTELLEN ERGEBNISSE 107 5
ZUSAMMENFASSUNG 109 LITERATUR 111 A ANHANG 129 A.L STOFFWERTE DER
VERWENDETEN FLUESSIGKEITEN 129 A.2 RANDBEDINGUNGEN DER DURCHGEFUEHRTEN
EXPERIMENTE 130 M ABBILDUNGSVERZEICHNIS 1.1 GEMISCHBILDUNG BEI DIREKT-
UND SAUGROHREINSPRITZUNG (ROTTENKOLBER, 2001) . . 2 2.1 SPRAYAUFPRALL
AUF DIE KOLBENOBERFLAECHE IM VERBRENNUNGSMOTOR 3 2.2 SKIZZEN MOEGLICHER
ZEITLICHER ABLAEUFE DES TROPFENAUFPRALLS AUF EINE FESTE WAND 4 2.3
SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DER MECHANISMEN DER TROPFENBILDUNG (WALZEL,
1990) 7 2.4 SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DER ALLGEMEINEN ZERFALLSARTEN EINER
LAMELLE (FRAESER ET AL., 1962) 8 2.5 BILDUNG UND ZERFALL VON JETS BEIM
TROPFENAUEFPRALL (EDGERTON UND KILLIAN, 1979) 9 2.6 VERSCHIEDENE ZUSTAENDE
DER OBERFLAECHE BEIM AUFPRALL VON TROPFEN AUF FESTE WAENDE 11 2.7
UNTERTEILUNG DER TROPFENAUSBREITUNG IN VERSCHIEDENE PHASEN - DIE
VERSCHIEDE- NEN LINIEN REPRAESENTIEREN MOEGLICHE VERLAEUFE (KIM UND CHUN,
2001, RIOBOO ET AL., 2002) 12 2.8 DEFINITION DES KONTAKTWINKELS IN DER
AUSBREITUNGS-UND RUECKZUGSPHASE . . . . 13 2.9 KRONENBILDUNG BEI DER
DESTRUKTION (EDGERTON UND KILLIAN, 1979) 15 2.10 SCHWELLENWERT ZWISCHEN
DEPOSITION UND DESTRUKTION ABHAENGIG VON DER WAND- RAUIGKEIT (COSSALI ET
AL., 1997) 18 2.11 NUMERISCHE BERECHNUNG DER KRONENBILDUNG BEIM AUFPRALL
AUF EINEN DUENNEN FILM, S = 0,116 (RIEBER UND FROHN, 1999) 20 2.12
QUALITATIVE SKIZZE VERSCHIEDENER AUFPRALLEREIGNISSE AUF TIEFE
FLUESSIGKEITEN (REIN, 2002B) 26 2.13 ABGRENZUNG DER AUFPRALLEREIGNISSE
AUF TIEFE FLUESSIGKEITEN (LIOW, 2001) . . . . 27 2.14 WAERMESTROM VON
EINER WAND IN EINEN FILM UND VERDAMPFUNGSZEIT VON TROPFEN, JEWEILS
ABHAENGIG VON DER UEBERHITZUNG (BEMARDIN, 1996) 29 2.15 ABLAUF DES
AUFPRALLVORGANGS FUER VERSCHIEDENE WANDTEMPERATUREN (BERNARDIN ET AL.,
1997B) 30 2.16 EINTEILUNG DER AUFPRALLEREIGNISSE VON TROPFEN AUF HEISSE
WAENDE (CHAVES ET AL., 2000) 33 2.17 EINTEILUNG DER AUFPRALLEREIGNISSE
VON TROPFEN AUF HEISSE WAENDE (REIN, 2002A) . 34 2.18 NUMERISCHE
BERECHNUNG DER AUSBREITUNGSPHASE IM VERGLEICH ZU EXPERIMENTEL- LEN
ERGEBNISSEN (PASANDIDEH-FARD ET AL., 1996) 42 3.1 SCHEMATISCHE
DARSTELLUNG DER ANGESTREBTEN EXPERIMENTE 47 3.2 AUFBAU EINES
PIEZOELEKTRISCHEN EINZELTROPFENGENERATORS 48 IV ABBILDUNGEN 3.3
KONSTRUKTION DER AERODYNAMISCHEN TROPFENBESCHLEUNIGUNG 49 3.4
KERNELEMENTE DES VERSUCHSAUFBAUS UND IHRE FUNKTIONSWEISE 50 3.5
VOLLSTAENDIGER VERSUCHSAUFBAU ZUR UNTERSUCHUNG DES EINZELTROPFENAUFPRALLS
.. 51 3.6 SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DES TROPFENKETTENGENERATORS 52 3.7
SKIZZE DER MEHRLOCHBLENDE ZUR ERZEUGUNG EINES MONODISPERSEN SPRAYS . . .
. 53 3.8 BESCHAFFENHEIT DER KOLBENOBERFLAECHE 54 3.9 AUFBAU UND VARIABLE
EINSETZBARKEIT DES WANDELEMENTS (VGL. ABB. 3.4) 55 3.10 ENTSTEHUNG VON
FOKUSSIERTEN UND DEFOKUSSIERTEN BILDERN EINES SPHAERISCHEN PAR- TIKELS
BEI OPTISCHER ABBILDUNG (DAMASCHKE ET AL., 2002) 57 3.11
FUNKTIONSPRINZIP DER GLOBAL PHASE DOPPIER MESSTECHNIK (DAMASCHKE ET AL.,
2002) 58 3.12 FUNKTIONSPRINZIP DER SHADOWGRAPHY (LAVISION, 2003) 58 3.13
DIE HOCHGESCHWINDIGKEITSSKAMERA HSFC-PW 61 3.14 STRAHLENGANG DES
FEMFELDMIKROSKOPS QM100 VON QUESTAR 62 3.15 AUFBAU DER HSFC-PW KAMERA
MIT DEM FEMFELDMIKROSKOP 62 3.16 VERWENDUNG EINES LASERS ALS
HINTERGRUNDBELEUCHTUNG MIT HILFE EINER FLUORES- ZIERENDEN FLUESSIGKEIT 65
3.17 ABLAUF BEI DER AUSWERTUNG VON SCHATTENBILDERN MIT HILFE DES
SIZINGMASTER . . 66 3.18 IDENTIFIKATION VON PARTIKELN IN DER
INTENSITAETSFUNKTION 67 3.19 VERMESSUNG DER GEFUNDENEN PARTIKEL BEZUEGLICH
FORM UND GROESSE 67 3.20 IDENTIFIKATION VON UNSCHARFEN PARTIKELBILDERN
ANHAND DER INTENSITAETSFUNKTION . . 67 4.1 VERGLEICH DER ANZAHL- UND
MASSENHAEUFIGKEIT IN EINEM DI-SPRAY (NAUWERCK ET AL., 2005) 70 4.2
VERGLEICH DER SPRAYBILDUNG BEI UNTERSCHIEDLICHEN UMGEBUNGSBEDINGUNGEN,
JE- WEILS ALS ABSOLUTDRUCK UND -TEMPERATUR ANGEGEBEN (250MS NACH
AUFPRALL, AUSSCHNITT 32X21 MM 2 ) 71 4.3 VISUALISIERUNG DER GLOBALEN
AUSBREITUNG EINES REALEN DI-SPRAYS (BENZIN, P D K = 8 BAR, T DK = 20 C,
V TIP 20M/ S , AUSSCHNITT 35 X 26 MM 2 )... 71 4.4 AUFPRALL EINZELNER
TROPFEN DES SPRAYS AN DER SPRAYSPITZE (BENZIN, V^R W 20M/ S , AUSSCHNITT
2,3 X 1,9MM 2 ) 72 4.5 UEBERLAGERUNG DER EINZELNEN AUFPRALLEREIGNISSE
DURCH DAS EXTREM DICHTE SPRAY (BENZIN, V/ R R= 28 M/S, AUSSCHNITT 1,7 X
1,35 MM 2 ) 73 4.6 VISUALISIERUNG DES AUSBREITUNGSVERHALTENS EINES
KLEINEN ISOOKTANTROPFENS (DPT = 67 PM, V PT = 15,4M/S, AUSSCHNITT 290
X230NM 2 ) 75 4.7 AUSBREITUNGSVERHALTEN BEI UNTERSCHIEDLICHEN
PRIMAERTROPFENGESCHWINDIGKEITEN . 76 ABBILDUNGEN 4.8
AUSBREITUNGSVERHALTEN ABHAENGIG VON DER WE-ZAHL (GESCHLOSSENE SYMBOLE)
UND VERGLEICH MIT DATEN VON MILLIMETERGROSSEN TROPFEN (OFFENE SYMBOLE
(RIOBOO ET AL., 2002)) 78 4.9 AUFTRETEN VON PROMPTER DESTRUKTION
(ISOOKTAN, D P J = 50/IM, V PT = 34M/S, WE = 2188, AUSSCHNITT 432 X
346/IM 2 ) . 78 4.10 EINFLUSS DER WANDTEMPERATUR (ISOOKTAN, D PT =
80/IM, V PT = 7,8M/ S , AUSSCHNITT 750 X 600/IM 2 ) 80 4.11 BLASENSIEDEN
(LINKS) UND FILMSIEDEN (RECHTS) VON MILLIMETERGROSSEN TROPFEN (COSSALI ET
AL., 2002B) (DESTILLIERTES WASSER, D PT = 2100/IM, V PT = 3,13M/ S , T*A
= 7400/IS, AUSSCHNITT »27800X9900/IM 2 ) 81 4.12 EINFLUSS DER
AUFPRALLGESCHWINDIGKEIT (ISOOKTAN, DPR = 80PM,T* = 1,17, AUSSCHNITT 750
X600/IM 2 ) 82 4.13 AUFPRALL VON TROPFEN MIT D P R = 50/IM (ISOOKTAN,
V/. R = 7,5M/ S , AUSSCHNITT 375 X300/TM 2 ) 82 4.14 EINFLUSS DER
PRIMAERTROPFEN AUF DEN VORGANG DER THERMISCHEN REFLEXION (ISOOKTAN, T* =
1,31, AUSSCHNITT 375X323 /IM 2 ) 84 4.15 EINFLUSS DER WANDTEMPERATUR BEI
ETHANOLTROPFEN = 80/IM, VF-R =4,2 M/ S , AUSSCHNITT 750X600 /TM 2 ) 85
4.16 THERMISCHE REFLEXION BEI ETHANOLTROPFEN (D PT = 54NM,V PT = 3,9M/S,
AUSSCHNITT 375X300 /IM 2 ) 87 4.17 VARIATION VON WANDTEMPERATUR UND
PRIMAERTROPFENGESCHWINDIGKEIT - EINFLUSS AUF REGIME SOWIE GROESSE UND
GESCHWINDIGKEIT DER SEKUNDAERTROPFEN (ISOOKTAN) 90 4.18 GROESSE UND
GESCHWINDIGKEIT DER SEKUNDAERTROPFEN IN ABHAENGIGKEIT DER AUFPRALL-
FREQUENZ 92 4.19 TROPFENGROESSENSPEKTRUM 93 4.20 UEBERBLICK UEBER
AUFPRALLEREIGNISSE BEI T* = 1,31 95 4.21 VARIATION DER WE-ZAHL BEI
KONSTANTER AUFPRALLFREQUENZ (ISOOKTAN,/ P R*- = 25 KHZ, T* = 1,31) 96
4.22 GROESSE UND GESCHWINDIGKEIT DER SEKUNDAERTROPFEN IN ABHAENGIGKEIT DER
WE-ZAHL 97 4.23 VARIATION DER AUFPRALLFREQUENZ (ISOOKTAN, WEM 250, T* =
1,31) 97 4.24 WE-ZAHL DER SEKUNDAERTROPFEN 98 4.25 INTERAKTION DER
LAMELLEN BEIM AUFPRALL (ISOOKTAN, D P J = 73/IM, V P J = 23,4M/ S , ASPR
= 108/IM, AUSSCHNITT 578 X 462/IM 2 ) 99 4.26 EINFLUSS DER
WANDTEMPERATUR (ISOOKTAN, AS PT K = 300/IM, D PT = 91 /IM, V PT = 8N /
S F PTK = 12KHZ) . . . . 100 VI ABBILDUNGEN 4.27 AUFPRALL EINER
EINZELNEN UND MEHRERER TROPFENKETTEN BEI T* = 1,17 (ISOOKTAN, ASPTK =
300/IM, DPR = 9 1 /IM, V PT = 8M/S, /PTK = 12KHZ) . . . . 101 4.28
AUFPRALL EINER EINZELNEN TROPFENKETTE
ASOOKTAN,D/»7-=72/IM,V/»7-=7,8M/S,/P RA: = 25KHZ) 102 4.29 AUFPRALL VON
DREI TROPFENKETTEN MIT EINEM ABSTAND VON ASPTK = 300/IM (ISOOKTAN, RF/ R
= 72/IM,VP7-= 7,8M/ S ,/ P7 - A: = 25 KHZ) 103 4.30 AUFPRALL VON DREI
TROPFENKETTEN MIT EINEM ABSTAND VON ASPTK = 200/IM (ISOOKTAN,RF/ R
=72/IM, VP7- = 7,8M/ S / P7 -^ = 25KHZ) 104 4.31 AUFPRALL VON DREI
TROPFENKETTEN MIT EINEM ABSTAND VON ASPTK * 150/IM GSOOKTAN, RF/ R =
72/IM, VPJ-=7,8M/S,/ / . RK = 25KHZ) 105 4.32 QUANTITATIVER VERGLEICH
VON GROESSE UND GESCHWINDIGKEIT DER SEKUNDAERTROPFEN . 105 4.33
TROPFENGROESSENVERTEILUNGEN BEI EINER WANDTEMPERATUR VON T* = 1,24 106
4.34 RANDBEDINGUNGEN DER DURCHGEFUEHRTEN EXPERIMENTE IM VERGLEICH ZU DEN
REALEN BEDINGUNGEN DES DI-OTTOMOTORS 108 VN TABELLENVERZEICHNIS 2.1
UEBERBLICK UEBER GRENZLINIENGLEICHUNGEN FUER TROCKENE WAENDE 18 2.2
UEBERBLICK UEBER GRENZLINIENGLEICHUNGEN FUER BENETZTE WAENDE (BEI 5 =0,1)
... 24 A.L STOFFEIGENSCHAFTEN DER EINGESETZTEN FLUESSIGKEITEN IM
VERGLEICH ZU WASSER UND SUPERBENZIN 129 A.2 THERMISCHE EIGENSCHAFTEN DER
EINGESETZTEN FLUESSIGKEITEN 129 A.3 RANDBEDINGUNGEN FUER DIE
UNTERSUCHUNGEN MIT EINZELTROPFEN 130 A.4 RANDBEDINGUNGEN FUER DIE
UNTERSUCHUNGEN MIT TROPFENKETTEN 130 A.5 RANDBEDINGUNGEN FUER DIE
UNTERSUCHUNGEN ZUR RAEUMLICHEN INTERAKTION 131
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