Experimentelle Studie des Strahlzerfalles in Abhängigkeit von der Düsengeometrie

Die Entwicklung der Großdieselmotoren ist zunehmend von der strengen Emissionsgesetzgebung geprägt. Das Einspritzsystem ist ein wichtiger Hebel, um innermotorisch die Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Vor allem das Gestalten der Einspritzdüse eröffnet die Möglichkeit, den Strahlzerfall gezielt zu formen und somit
die Emissionsbildung zu reduzieren. Ein primäres Ziel dieser Arbeit ist es, die Korrelation zwischen der Einspritzdüsengeometrie, dem Strahlzerfall und den Emissionen eines Großdieselmotors aufzuzeigen und zu untersuchen. Dabei wurde die grundlegende Frage, ob die Einspritzdüse tatsächlich ein bedeutendes
emissionsreduzierendes Potential birgt, beantwortet. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass sogar kleine geometrische Änderungen der Düsengeometrie große Auswirkung auf den Strahlzerfall und die Emissionen haben können. Es wird deutlich, dass neben der bekannten Einflussgrößen, wie der Spritzdurchmesser und der -länge, auch die geometrischen Größen, die den Fluideinlauf in das Spritzloch bestimmen, wie die Spritzlochhöhe im Sackloch und die Spritzlocheinlaufverrundung, eine erhebliche Auswirkung auf den Strahlzerfall und somit auch auf die Emissionsbildung haben. Im Bereich der Großdieselmotoren haben Spritzlöcher meist die zylindrische Mantelform. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die konische Spritzlochform durchaus das Potential hat, Emissionen eines Großdieselmotors zu reduzieren. Die konische Spritzlochform ist zudem die einzige untersuchte Geometrieänderung, die simultan zur Ruß-, HC- und NOx-Reduktion führt und somit die Möglichkeit liefert, die bekannte Ruß-NOx-Schere zu schließen. Eine weitere Größe, die untersucht wurde, ist die Oberflächenrauheit des Spritzloches, die im Vergleich zu anderen Variationen einen geringeren aber deutlich sichtbaren Einfluss auf den Strahlzerfall und die Emissionen hat. Aus den experimentell gewonnenen Strahlzerfallsdaten wurden neue Modelle zur Berechnung von Strahlpenetration, -kegelwinkel und -höhenwinkel erstellt. Die Modelle ermöglichen, mit der Kenntnis der Düsengeometrie, den Strahlzerfall des eingespritzten Fluids annähernd genau zu berechnen. Somit können
zeit- und kostspielige strahldiagnostische Untersuchungen einzelner Düsen umgangen bzw. reduziert werden. Aber auch die umgekehrte Vorgehensweise ist möglich. Anhand der für einen bestimmten Brennraum emissionsreduzierenden Strahlform kann effizient die gebrauchte Düsengeometrie ausgelegt werden.