Messung der Geschwindigkeitsfelder beider Phasen in Diesel-Einspritzstrahlen mit Laser Flow Tagging
Final Report Abstract
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flüssig- und erstmals auch der Gasphase im Einspritzstrahl der dieselmotorischen Direkteinspritzung kann unter atmosphärischen Randbedingungen sowie in Hochdruckumgebung mittels Laser Flow Tagging (LFT) ermittelt werden. Geringe Zerstäubung und hohe Tropfendichte unmittelbar am Düsenaustritt stellen akzeptable Bedingungen für die Applikation des Messverfahrens in der Flüssigphase dar, während andere optische Verfahren hier scheitern. Experimenteller Aufwand und Fehlerquellen durch unzureichendes Folgevermögen der nachgewiesenen Teilchen in der Gasphase werden durch die Verwendung eines molekularen, phosphoreszierenden Tracermoieküls reduziert bzw. grundsätzlich umgangen. LFT in der Gasphase basiert ebenfalls auf der Detektion eines phosphoreszierenden Tracers, der hierbei vorher verdampft und homogen in der Gasphase verteilt wird. Nach einmaliger Laseranregung kann aufgrund des Eintrags der Gasphase in die Strahlkeule die Verschiebung des lumineszierenden Tracers und somit die Gasphasengeschwindigkeit gemessen werden. Durch Wahl geeigneter Tracer, in diesem Fall eine Lanthanid-Chelat Verbindung mit einem Europium-Ion für den flüssigen Kraftstoff und Aceton bzw. Biacetyl als Marker in der Gasphase, wird sogar die simultane Messung von Flüssig- und Gasphasengeschwindigkeit mittels Laser Flow Tagging demonstriert. Dies verbessert die Messgenauigkeit für die Relativgeschwindigkeit erheblich. Die Anregung beider Tracerkomponenten erfolgt mit dem selben Laserpuls, während die Emission in Tropfen- und Gasphase mit optischen Filtern separiert wird. LFT erweist sich als robust gegenüber erhöhtem Umgebungsdruck, während die Genauigkeit des Verfahrens mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Das Verfahren in der Gasphase kann allerdings ausschließlich in sauerstofffreier Atmosphäre eingesetzt werden. Ortsauflösung und Dynamik werden im Wesentlichen von dem Betrag der Geschwindigkeit und deren Gradient in Ausbreitungsrichtung sowie der Tropfendichte bestimmt. Die sehr hohe Tropfenanzahldichte im Bereich des sekundären Tropfenzerfalls im Dieselspray reduziert durch Mehrfachstreuung des Lichtes die Ortsauflösung in Ausbreitungsrichtung und die Dynamik des Verfahrens, welche durch die untere Messbarkeitsschranke der Geschwindigkeit festgelegt ist. Eine hohe Ortsverschiebung äußert sich bei diesem bildgebenden Verfahren tendenziell in einer Reduzierung des Messfehlers. Der geringe Gaseintrag im Bereich des primären Strahlaufbruchs führt zu niedrigem Phosphoreszenzsignal aus der Gasphase und damit erhöhtem Messfehler, zumal die geringe radiale Ausdehnung wegen Mittelungseffekten und des erhöhten Einflusses der umgebenden Gasphase diesen Effekt verstärkt. Die Bestimmung der Gasphasengeschwindigkeit ist bis zu einem Abstand von etwa 10 mm von der Düsenspitze möglich. Bei der Dieseleinspritzung beträgt die gemessene Tropfengeschwindigkeit unmittelbar am Düsenaustritt unter stationären Bedingungen etwa 90% der maximalen Geschwindigkeit bei reibungsfreier Strömung. Die Moleküle in der Gasphase werden aus dem Ruhezustand entsprechend beschleunigt und erreichen bei erhöhter Gasdichte nach wenigen Zentimetern nahezu die Geschwindigkeit der Flüssigphase. Die radiale Ausdehnung des Bereichs der von der Flüssigkeit beeinflussten Gasphase wächst gemäß der Aufweitung des flüssigen Einspritzstrahls bei effizientem Strahl- und Tropfenzerfall mit zunehmendem Abstand von der Düse an, das radiale Geschwindigkeitsprofil ist dabei stets um etwa 50% breiter als die Strahlkeule.
Publications
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DEPPE, J. ; GRÜNEFELD, G. ; WISSEL, S.: Simultaneous gaseous and liquid phase velocity measurements in dense sprays by means of Laser Flow Tagging. In: angemeldet for /CLASS. Kyoto, 2006 (10th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems)
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PAULS, C. ; WISSEL, S. ; GRÜNEFELD, G.: Velocity and Acceleration Measurements in Diesel Sprays using a High-Speed Multi-Frame Camera and Laser Flow Tagging. In: ILASS Americas. Irvine, CA, 2005 (18th Annual Conference on Liquid Atomization and Sprays Systems)
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WISSEL, S. ; GRÜNEFELD, G.: Liquid and Gaseous Phase Velocities in Diesel Sprays. In: Gordon Research Conference, 2005 (Laser Diagnostics in Combustion)
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WISSEL, S. ; GRÜNEFELD, G.: Row Tagging Measurement of the Relative Velocity of Gas and Liquid Phase in Diesel Sprays. In: Applied Physics B, in Vorbereitung (2006)
