Experimentelle Untersuchung des primären Strahlzerfalls bei der motorischen Hochdruckeinspritzung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der primäre Strahlaufbruch im düsennahen Bereich bei der dieselmotorischen Hochdruckeinspritzung mit experimentellen Methoden untersucht. Der Einfluss der Düsengeometrie auf die Ausbreitung verdampfender und nichtverdampfender Sprays wurde mit einem neuartigen Gegenlichtverfahren beobachtet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der flüssigen und dampfförmigen Spraybereiche aus einer einzelnen Aufnahme bei reduziertem experimentellem Aufwand. Aus einem Vergleich der Eindringtiefen wird deutlich, dass durch die Verrundung der Einlasskante in Kombination mit einer konischen Ausführung des Spritzlochs ein schnelleres Eindringen des gesamten Sprays in den Brennraum ermöglicht wird. Diese Aussage gilt sowohl für heisse als auch für kalte Umgebungsbedingungen. Grundlegende Untersuchungen an Einlochdüsen zeigen, dass bei einer stark verrundeten Einlasskante und somit einer nicht-kavitierenden Düseninnenströmung die ungestörte Strahllänge und der Strahlzerfall durch die Strahlgeschwindigkeit bestimmt werden. Im Vergleich hierzu bewirkt eine scharfkantige Einlasskante Kavitation. Sie erhöht die Strahlturbulenz, was zu verstärktem Strahlaufbruch direkt am Spritzloch führt. Mit der Laser Correlation Velocimetry (LCV), die Geschwindigkeitsmessungen im düsennahen dichten Spray erlaubt, wurde gezeigt, dass das Spray der Einlochdüsen durch einen Spraykern mit hoher Geschwindigkeit charakterisiert ist. Dieser Spraykern ist unter atmosphärischem Gegendruck von einem Außenbereich mit einem linearen Geschwindigkeitsprofil umgeben. Bestätigt wird diese Beobachtung durch die Messung der Geschwindigkeit der angesaugten Luft im düsennahen Bereich mit der Particle Image Velocimetry (PIV). Es zeigt sich, dass der angesaugte Luftmassenstrom durch die Stärke des Strahlzerfalls bestimmt wird. Das stärker aufbrechende Spray der kavitierenden Einlochdüse saugt wesentlich mehr Luft an als das kompaktere Spray der verrundeten Düse. Experimentelle Untersuchungen an motornahen Dreilochdüsen erweitern den untersuchten Parameterbereich um den Einfluss der asymmetrischen Anströmung des Spritzlochs. Diese Asymmetrie zeigt sich deutlich in den mit der LCV ermittelten Geschwindigkeitsverläufen. Hier wurde erstmals zeitlich hochaufgelöst über den gesamten Querschnitt des düsennahen Sprays die Axialgeschwindigkeit der flüssigen Phase aufgezeichnet. Es wird deutlich, dass eine konische verrundete Düse aufgrund der reduzierten Grenzschichtdicke der Düseninnenströmung ein blockförmiges Geschwindigkeitsprofil im dichten Spraykern bewirkt, das sich sehr schnell ausbildet. Es wird von einem relativ dünnen Sprayrandbereich mit steilen radialen Geschwindigkeitsgradienten begrenzt. Die Geschwindigkeitsabnahme in axialer Richtung im Sprayzentrum ist aufgrund der fehlenden Interaktion mit der umgebenden Gasphase vor allem bei der verrundeten Dreilochdüse auf den ersten Millimetern nach dem Spritzlochaustritt sehr gering.