Charakterisierung der dieselmotorischen Gemischbildung mittels bildgebender laserinduzierter Fluoreszenz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lars Zigan
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315067718

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Messmethode basierend auf der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) zur gleichzeitigen Bestimmung von Kraftstoffdichte und Temperatur zur Charakterisierung transkritischer Sprayprozesse, welche eine hohe Relevanz in vielfältigen energie- und verfahrenstechnischen Systemen sowie bei pharmazeutischen Anwendungen haben. Die Technik wird nun weiterentwickelt für Messungen in der Umgebung von Tropfen. Zur Identifikation der Flüssigphase wird das Detektions- und Auswertekonzept erweitert um einen Aufbau zur planaren Mie-Streuung und einen mikroskopischen LIF-Aufbau. Der Fokus wird aufgrund aktueller Entwicklungen weniger auf Mehrfacheinspritzungen im Motor gelegt, sondern stärker auf die grundlegende Analyse des transkritischen Einspritzprozesses unter vereinfachten Bedingungen in einer Messzelle. Mit diesem Projekt soll zu einem besseren Verständnis bezüglich des physikalischen Verhaltens der Tropfenverdunstung bzw. der diffusiven Mischung sowie Gemischbildung bei transkritischer Einspritzung beigetragen werden. Ferner sollen umfassende Referenzdaten für die Entwicklung und Validierung von Modellen und numerischen Simulationsansätzen bereitgestellt werden, welche teilweise bei der Vorhersage des transkritischen Mischungsverhaltens versagen. Die Untersuchungen der transkritischen Einspritzungen werden mit Modellkraftstoffen (wie n-Heptan, Isooktan) durchgeführt, die für vielfältige technische Prozesse relevant sind. Die Kraftstoffe können als Stoßpartner auch das Fluoreszenzsignal beeinflussen. Daher wird auch der Einfluss weiterer anwendungsrelevanter Kraftstoffe auf das LIF-Signal untersucht, wie z.B. Ethanol oder auch synthetische sauerstoffhaltige Kraftstoffe wie POMDME (Polyoxymethylendimethylether). In dem Zusammenhang wird auch der Effekt einer Methan-Zumischung auf das LIF-Signal analysiert, was für genaue Gemischbildungsuntersuchungen in Dual-Fuel-Motoren wichtig ist. Es werden mikroskopische und makroskopische Messungen der Kraftstoffdichte und der Gastemperaturen in transkritischen Sprays bei variablen Randbedingungen durchgeführt. Als Teilziel werden Kenngrößen zur Beurteilung transkritischer Einspritzungen bestimmt. Dies umfasst z.B. die Identifikation von Bereichen im Spray mit Phasenwechsel bzw. den Übergang zur diffusiven Mischung. Es werden Zeiten bestimmt zur Verdampfung bzw. Lebenszeiten bis zum Erreichen des überkritischen Zustands, wofür bisher keine quantitativen Untersuchungen vorliegen. Als weiteres Teilziel werden Größen zur Beurteilung der Gemischbildung ermittelt wie die Eindringtiefe sowie der Spraywinkel der Gas- und Flüssigphase. Ferner wird das „Gas-Entrainment“ quantifiziert. Die Daten werden mit Modellen verglichen, welche entsprechend modifiziert und erweitert werden. Sämtliche Untersuchungen werden in einer hierfür modifizierten Kalibrierzelle durchgeführt, welche genaue Messungen ermöglicht bei exakt einstellbaren Temperaturen und Tracerkonzentrationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen