berichte zur - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

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Berichte zur
Energie- und Verfahrenstechnik
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz
BEV
Schriftenreihe Heft 93.1
Dipl.-Ing. Kai-Uwe Münch
Anwendung der zweidimensionalen Mie-Streulichttechnik zur Diagnose des Einspritzprozesses im Brennraum eines direkteinspritzenden PKW-Dieselmotors
Im Rahmen des Berichtes werden Messungen der Sprayausbreitung innerhalb der Kolbenmulde eines 1.9 l
DI Dieselmotors mit einer zweidimensionalen Streulichttechnik beschrieben. Es wurden die
Strahleindringtiefen und Kegelwinkel der sich ausbreitenden Strahlen einer Fünflochdüse gemessen. Aus den
gemessenen Flüssigkeitsverteilungen in einer definierten Lichtschnittebene unterhalb des Zylinderkopfes
wurde die statistische Information des Auftretens von flüssigem Kraftstoff, ausgedrückt durch eine
Erscheinungs-Häugigkeitsverteilung (EHV), berechnet. Dieses Verfahren wurde notwendig, da die
Messungen zeigten, daß die Flüssigkeitsverteilungen im Lichtschnitt großen Zyklusfluktuationen unterlagen.
Die berechneten EHVs beschreiben nun diese Verteilung im Lichtschnitt. Diese Art der Beschreibung eignet
sich zur Verifizierung von numerisch erzielten Ergebnissen, die in der Lage sind, eine mittlere, nicht
Zyklusschwankungen unterliegende Flüssigkeitsverteilung vorherzusagen. Aus den Untersuchungen konnten
empirische Gleichungen zur Beschreibung der Strahleindringtiefe im Motor hergeleitet werden. Die
Meßergebnisse der Strahlkegelwinkel lieferten eine eingeschränkte Übereinstimmung mit Ansätzen aus der
Literatur und verdeutlichten die schwierige Vergleichbarkeit solcher Untersuchungen aufgrund
unterschiedlicher Versuchsbedingungen.
Einen bedeutenden Teil der beschriebenen Arbeit nahm die Entwicklung eines Meßsystems in Anspruch, das
auf Grundlage der Teilchenstreuung (Mie-Streuung) arbeitet. Am Ende der Entwicklungsarbeit standen eine
Meßtechnik und ein Auswerteverfahren zur Verfügung, das die Vorteile von integralen zweidimensionalen
optischen Meßtechniken mit den Vorteilen von Laserlichtschnitttechniken verknüpft. Das vollständig
entwickelte Meßsystem arbeitet sehr gut unter motorischen Bedingungen und ist in der Lage, einen großen
Betrag zuverlässiger Meßdaten in nur kurzer Meßzeit zu liefern. Teure Prüfstandszeiten können somit
reduziert werden.
Dipl.-Phys. Eggert Magens
Nutzung von Rotations-CARS zur Temperatur- und Konzentrationsmessung in Flammen
In dem Bericht werden die Nutzungsmöglichkeiten von Breitband-Rotations-CARS zur technischen
Anwendung für die gleichzeitige Temperatur- und Konzentrationsmessung dargestellt. Dazu wird eine neue
Auswertemethode für die Spektren linearer Moleküle entwickelt, die allgemein für reine Gase wie auch für
Gasmischungen angewendet werden kann. Zur geschlossenen mathematischen Behandlung wird eine neue
Darstellung auch zur Berechnung von Theoriespektren entwickelt, die für die Auswertung als
Vergleichsmaßstab benötigt wird. Dabei wird der Berechnungsaufwand ohne weitergehende
Näherungsannahmen auf das für die Auswertung benötigte Minimum begrenzt.
Die Anwendbarkeit des Modells und der Auswertemethode wurde für Breitband-Rotations-CARS-Spektren
und einfache Systeme aus N2 zur Thermometrie aber auch zur Analyse einfacher Gasmischungen für die
gemeinsame Temperatur- und Konzentrationsmessung erprobt. Das Auswerteverfahren selbst wurde in einer
Vielzahl von Tests auf Robustheit überprüft und mit bekannten Verfahren verglichen. Im Rahmen der
statistischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß mit Rotations-CARS potentiell auch bei hohen
Temperaturen eine zum Vibrations-CARS-Verfahren vergleichbare Meßgenauigkeit erzielbar, die Genauigkeit
der Temperaturbestimmung aber stark verfahrensabhängig ist.
Zur Berechnung von Rotationsspektren nichtlinearer Moleküle wird ein geschlossenes Berechnungsverfahren
angegeben. Anhand einiger Beispiele kann die prinzipielle Übereinstimmung von Rechnung und Experiment
gezeigt werden.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Phys. Thomas Seeger
Anwendungsvergleich von Vibrations- und Rotations-CARS in der technischen Verbrennung
Auf Grundlage experimenteller Untersuchungen werden Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken
hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in der technischen Verbrennung verglichen. Die Charakterisierung der bisher
wenig gebräuchlichen Rotations-CARS-Verfahren ist Schwerpunkt der Untersuchungen. Die vorgestellten
Ergebnisse beschränken sich auf die Temperatur- und Konzentrationsbestimmung bei atmosphärischen
Verbrennungsvorgängen.
Das verwendete CARS-System ist so konzipiert, daß mit geringen Modifikationen des Gesamtsystems dieses
sowohl für Vibrations- als auch für Rotations-CARS-Techniken genutzt werden kann. Auf Grund der zur
Analyse von Verbrennungsvorgängen notwendigen zeitlichen Auflösung wurde nur die sogenannte BreitbandCARS-Technik eingesetzt. Die Systemüberprüfung wurde in einem Hochtemperaturofen durchgeführt, in dem
definiert Temperaturen von 300 K bis 2000 K eingestellt werden konnten. Auf diese Weise war eine
Beurteilung der verschiedenen CARS-Verfahren hinsichtlich Meßgenauigkeit und Standardabweichung
möglich.
Die technische Nutzbarkeit von Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken wurde durch Untersuchungen an
einem turbulenten Vormischbrenner in Zusammenarbeit mit ASEA BROWN BOVERI am LTT-Erlangen
demonstriert. So konnte das Potential der eingesetzten Meßmethoden für die Temperaturbestimmung und die
Bestimmung der Konzentrationsanteile für N2 und O2 gezeigt werden.
Dipl.-Phys. Stefan Kampmann
Entwicklung einer zweidimensionalen Laser-Rayleigh-Temperaturmeßsonde zur Untersuchung hochturbulenter Verbrennungsvorgänge in einem industriellen Drallbrenner
In dem Bericht werden Messungen von zeitlich und räumlich hochaufgelösten Temperaturfeldern an einem industriellen Drallbrenner innerhalb einer abgeschlossenen Brennkammer beschrieben. Aus den Ergebnissen
konnten die globalen Strukturen der hochturbulenten Methan/Luft-Flamme bei verschiedenen
Betriebsbedingungen bestimmt werden. Durch eine hohe Anzahl von Einzelmessungen an verschiedenen
Axialpositionen der reagierenden Strömung war es dabei möglich, das gesamte Verbrennungsfeld mit Hilfe
von Temperatur-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen zu charakterisieren. Eine Aussage über die
Wechselwirkung zwischen turbulentem Strömungsfeld und chemischer Reaktion der Verbrennung erlaubte
die Messung der inneren Struktur der Verbrennung in Form von Flammenfrontdicken.
Einen bedeutenden Teil der beschriebenen Arbeit nahm die Entwicklung eines Meßsystems in Anspruch, das
auf Grundlage der Rayleigh-Streuung eine Temperaturbestimmung erlaubt. Störende Interferenzen des
Rayleigh-Signales mit Mie-Streulicht und laserinduzierten Reflexionen an Brennraumoberflächen konnten
durch geeignete konstruktive Maßnahmen reduziert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeit wurde durch
den Wechsel auf eine UV-Laserquelle hoher Leistung und die damit verbundene Erhöhung der
Signalphotonen die Genauigkeit der Temperaturbestimmung beträchtlich verbessert. Der simultane Einsatz
der Rayleigh-Temperatursonde mit einer im Bericht 94.1 beschriebenen CARS-Meßsonde erlaubte
Temperaturmessungen mit Genauigkeiten von 50 K. Um neben den Temperaturinformationen auch
Aussagen über die Stärke der ablaufenden Verbrennungsreaktionen zu erhalten, wurde eine Filteroptik
entwickelt, die es erlaubt, mit Hilfe einer Laserquelle und eines Kamerasystems simultan Temperaturfelder
und OH-Konzentrationverteilungen in dem Verbrennungsfeld zu bestimmen.
Berichte zur
Dipl.-Ing. Ralf Obertacke
BEV
Heinrich-Mandel-Kraftwerkspreis 1995
der VGB-Forschungsstiftung
Ein emissionstomographisches Sensorsystem für die Bestimmung zweidimensionaler
Temperatur- und Radikalenfelder in Feuerungen
In diesem Bericht wird ein optisches Sensorsystem vorgestellt, das die zweidimensionale Verteilung der
Temperatur und relevanter Radikale in Verbrennungssystemen erfaßt. Dazu wird die Bandenstrahlung der
Radikale zusammen mit der Schwarzkörperstrahlung von Asche und Ruß spektroskopisch erfaßt und
ausgewertet. Durch die Verwendung der Flammeneigenstrahlung kann auf komplexe und empfindliche
(Laser-)Lichtquellen für Absorptionsmessungen verzichtet werden, wodurch sich das System für den Einsatz
in industriellen und Kraftwerksumgebungen eignet. Die Radikale NO, OH, CN, NH und CH wurden als
Führungsgrößen für die NOx-Bildung ermittelt und im Spektralbereich zwischen 260 nm und 480 nm
detektiert. Trotz des fehlenden thermischen Gleichgewichtes für die elektronischen Übergänge kann durch
eine breitbandige Detektion die Gesamtintensität einer Bande als relatives Konzentrationsmaß verwendet
werden. Die Verwendung des UV/VIS-Spektrums auch für die Temperaturbestimmung erweist sich als
besonders vorteilhaft in Feststoffeuerungen, die eine starke IR-Strahlung aufweisen.
Am Beispiel der NOx-Reaktionskinetik wird gezeigt, daß schon bei eindimensionaler Detektion durch die
simultane Bestimmung der Temperatur und der Radikalenintensitäten Korrelationen mit den Rauchgaswerten
gefunden werden können, wodurch eine sofortige Beurteilung des Verbrennungsprozesses und ein sofortiger
Eingriff in diesen ermöglicht wird. Das Meßprinzip des neuen Sensorsystems wurde bisher in Steinkohle- und
Braunkohlestaubfeuerungen,
Gasfeuerungen
und
Sondermüllverbrennungen
getestet.
In
der
Sondermüllverbrennung eignen sich die NH- und CN-Radikale als Indikatoren für den Temperaturverlauf und
die NOx-Produktion.
Durch die Verwendung eines neuen tomographischen Auswerteverfahrens mit statistischen Algorithmen
können auch mit nur zwei Projektionen lokale Temperatur- und Intensitätswerte rekonstruiert werden. Es
werden die radiale Intensitätsverteilung und der Temperaturverlauf in einer Braunkohlestaubflamme
dargestellt. Für eine große Propanflamme wurde die axiale Verteilung des CH-Radikals rekonstruiert. Neben
der Verwendung als reines Monitoringsystem für die Überwachung von Einzelbrennern und von Ebenen eines
Verbrennungsfeldes ist wegen der simultanen Bestimmung der lokalen Temperaturen und
Radikalenintensitäten eine Beurteilung des Verbrennungsablaufs und der Reaktionskinetik möglich, die über
entsprechende Stellgrößen eine Feuerungsregelung in Aussicht stellt.
Dipl.-Phys. Stefan Will
Viskositätsmessung mit der Dynamischen Lichtstreuung
Die Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine laseroptische Korrelationstechnik, mit der berührungslos und
ohne aufgeprägte äußere Gradienten eine Vielzahl von Transportkoeffizienten und anderen Stoffdaten
gemessen werden kann. Dieser Bericht befaßt sich damit, ob und wie diese Methode zur Bestimmung der
dynamischen Viskosität von Flüssigkeiten erweitert werden kann.
Grundlage der Technik bilden die Dispergierung von kugelförmigen Partikeln im Submikronbereich in die Untersuchungsflüssigkeit und die Messung des Partikeldiffusionskoeffizienten, der unmittelbar mit der Viskosität
verknüpft ist. Zum erfolgreichen Einsatz der Technik müssen allerdings eine Reihe von Punkten beachtet
werden, die hier erstmalig systematisch diskutiert werden und welche insbesondere mögliche Abweichungen
von den zugrundeliegenden Arbeitsgleichungen und damit verknüpft die Auswertung der expe-rimentellen
Korrelationsfunktionen sowie die Eigenschaften der notwendigen Streupartikel betreffen. Auf diesen
Erkenntnissen aufbauend wurden die Viskositäten verschiedener beispielhafter Reinstoffe sowie eines Öls als
Vertreter eines Vielkomponentengemisches gemessen, wobei der abgedeckte Viskositätsbereich etwa 0,2 bis
40 mPa.s umfaßte. Diese grundlegenden Untersuchungen wurden überwiegend bei Umgebungsbedingungen
durchgeführt. Für Messungen über einen erweiterten Temperaturbereich wurde ein Thermostat mit einem
neuartigen optischen System konzipiert und aufgebaut; exemplarisch wurde dann die Viskosität von n-Heptan
im Bereich von 20°C bis 80°C bestimmt. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, daß die Dynamische
Lichtstreuung auch zur Viskositätsmessung sinnvoll einsetzbar ist. Insbesondere durch die in diesem Bericht
aufgezeigten Möglichkeiten, mit exakten Arbeitsmodellen, wenigen Meßgrößen und daher geringem
apparativen Aufwand sowie unter Umständen in Kombination mit anderen Transportkoeffizienten die
Viskosität bestimmen zu können, machen diese Technik insbesondere für Anwendungen, in denen die
Messung im thermodynamischen Gleichgewicht von Bedeutung ist, interessant.
BERICHTE ZUR
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK
BEV
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Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz
Motorische Verbrennung
- aktuelle Probleme und
moderne Meßverfahren
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.
Essen, 28./29. März 1995
Erhöhte Anforderungen an moderne Fahrzeugantriebe erfordern eine deutliche Verbesserung der
motorischen Verbrennung hinsichtlich Brennstoffeinsatz (Effizienz) und Umweltverträglichkeit
(Schadstoff- und Partikelemissionen). Angestrebte Weiter- oder Neuentwicklungen sind nur zu
erzielen über eine vorherige, immer stärker detaillierte Erfassung der Einzelvorgänge, die im
jeweiligen Prozeßfortschritt für das Gesamtverhalten des Motors verantwortlich zeichnen. Die
Gewinnung solcher Erkenntnisse innerhalb des Motors muß mit hoher lokaler und zeitlicher
Auflösung und möglichst störungsfrei erfolgen. Moderne Meßverfahren - in der Regel optische,
meist laserbasierende Meßtechniken - werden verstärkt entwickelt und eingesetzt, um diese
Prozesse zu untersuchen und damit das notwendige Verständnis über einzelne Details der
motorischen Verbrennung und ihres Zusammenspiels zu schaffen.
Ausgehend von einer Problemdarstellung aus Sicht der einschlägigen Industrie werden zur Lösung
moderne Meßverfahren und ihr exemplarischer Einsatz vorgestellt bei der Untersuchung der
relevanten Teilprozesse Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung, Zündung, Verbrennung,
Flammenausbreitung, Schadstoffbildung und in der Abgaserfassung. Mit Schwerpunkten in der
zweidimensional - flächenhaft auflösenden Meßtechnik, mit denen nur eine Strukturerkennung in
den vorliegenden turbulenten Strömungs- und Verbrennungsfeldern möglich ist und primärseitige
Verbesserungsmaßnahmen direkt am Ort des Geschehens überprüft werden können, werden
Meßverfahren vorgestellt und ihr Einsatz diskutiert in der Erfassung des Strömungs- und Geschwindigkeitsfeldes, der Verteilung von Gas- und Flüssigkeitsphase, des Zündvorganges und der
Flammenausbreitung in Verbindung mit den auftretenden Temperatur- und Konzentrationsfeldern,
der Schadstoff- und (gegebenenfalls) Rußentstehung sowie deren Nachweis im Abgasbereich.
Der Berichtsband gibt in schriftlicher Form auf 259 Seiten mit 199 Abbildungen die 19 Beiträge der
gleichnamigen Veranstaltung im Haus der Technik im März 1995 wieder. Referenten aus der
Automobilindustrie (BMW AG, Daimler-Benz AG, Volkswagen AG), von Zulieferunternehmen
(Robert Bosch GmbH, NKG Spark Plug Co.) sowie von einschlägigen privaten und öffentlichen
Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (Bruker-Franzen Analytik GmbH, Inst. Motorenbau Prof.
Huber GmbH, VDI-TZ Phys. Techn., RWTH Aachen, U Erlangen-Nürnberg, U Heidelberg, TH
Karlsruhe, U Stuttgart) garantieren einen hohen aktuellen Stand in der vorgestellten
Problembearbeitung.
Erlangen 1995
Berichte zur
Dipl.-Ing. K. Kraft
BEV
DKV-Nachwuchsförderpreis für besondere
wissenschaftliche Leistungen 1996
Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung transparenter Fluide mittels
der Dynamischen Lichtstreuung
In diesem Bericht wird die Anwendung der Dynamischen Lichstreuung zur Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung beschrieben. Dieses laseroptische Meßverfahren erlaubt die Bestimmung der genannten Größen im thermodynamischen Gleichgewicht. Auf diese Weise können Meßwerte in ansonsten nur
schwer zugänglichen Zustandsbereichen gewonnen werden. Herausragend sind hier die Phasengrenzkurven
sowie das kritische Gebiet.
Im ersten Teil des Berichtes werden die Grundlagen des Meßverfahrens dargestellt. Dabei werden
grundlegende Fragen nach möglichen Artefakten zum Teil erstmals quantitativ diskutiert. Ein wesentliches
Ergebnis ist, daß die Dynamische Lichtstreuung zur Zeit das einzige optische Verfahren zur Bestimmung der
Schalldämpfung im unteren Frequenzbereich ist, das ohne wesentliche systematische Fehler mißt. Im
weiteren werden grundlegende Überlegungen und Abschätzungen gezeigt, die konsequent zum optimalen
Versuchsaufbau für diese Art von Messungen führen. Neben dem optischen Aufbau und einer geeigneten
Zellgeometrie wird auch ein Thermostat für Messungen eines weiteren Zustandsbereiches um den kritischen
Punkt vorgestellt.
Im experimentellen Teil werden die theoretisch abgeschätzten Fehlergrenzen anhand von Messungen an
neuen Kältemitteln validiert. Dabei werden umfangreiche Datenvergleiche durchgeführt, die deutlich den
Anwendungsbereich und Nutzen dieser Technik zur Verbesserung der Datenlage besonders nahe der Siedeund Taulinie sowie im weiteren kritischen Gebiet aufzeigen. Neben Messungen an Reinstoffen wird
exemplarisch auch die Einsetzbarkeit des Verfahrens zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von
Gemischen gezeigt. Neben der Schallgeschwindigkeit werden auch Ergebnisse für die frequenzabhängige
Schalldämpfungskonstante vorgestellt. Diese Ergebnisse erlauben grundsätzliche Aussagen über
innermolekulare Ausgleichsvorgänge und Anregungsfrequenzen sowie die Berechnung der ansonsten selten
gemessenen Volumenviskosität.
Dipl.-Ing. Dimosthenis Trimis
Verbrennungsvorgänge in porösen inerten Medien
In dieser Arbeit wird eine neues Konzept für einen Gasbrenner mit integriertem Wärmetauscher erarbeitet,
das sich entscheidend von den konventionellen Techniken abhebt. Bei diesem Konzept findet der
Verbrennungsprozeß nicht, wie üblich, mit frei brennenden Flammen in einem Brennraum statt, sondern
innerhalb der Poren eines porösen inerten Mediums. Die daraus resultierenden wichtigen Vorteile für den
Verbrennungsprozeß werden ausführlich beschrieben. Der Wärmetransport innerhalb der Verbrennungszone
wird gegenüber freien Flammenfronten dadurch intensiviert, daß eine andere Phase, die um
Größenordnungen bessere Wärmetransporteigenschaften besitzt, eingebracht wird. Die Intensivierung des
Wärmetransports innerhalb der Reaktionszone durch das poröse inerte Medium kann die chemische
Reaktion bei erhöhten Brenngeschwindigkeiten stabilisieren. Ein Konzept, das die Zündung und Stabilisierung
von Verbrennungsvorgängen in porösen inerten Medien erlaubt, wird vorgestellt und führt zu einer typischen
Auslegung solcher "Porenbrenner".
Die Umsetzung zu praktischen Brennereinheiten, die für den Haushaltsbereich geeignet sind, wird dargestellt.
Die Brennereinheiten verfügen über einen integrierten Wärmetauscher, so daß Gesamtheizungsanlagen mit
sehr kleinen Abmessungen realisiert werden können. Die Auslegungsarbeiten und Experimente werden durch
detaillierte Berechnungen des Wärmetransports im Porenkörper ergänzt. Aus den Experimenten mit
verschiedenen Brennerprototypen werden die technischen Daten solcher "Porenbrenner" mit integriertem
Wärmetauscher ermittelt und Verbesserungsvorschläge erarbeitet, um einige Betriebsparameter noch weiter
zu optimieren. Die technischen Daten zeigen, daß die hier vorgestellte Technik den meisten heutigen
Brennertechniken im Haushaltsbereich überlegen ist, wobei die kompakte Geometrie, die niedrigen
Emissionen, die hohe Leistungsmodulation, die hohe Verbrennungsstabilität und die relativ einfache (und
somit kostengünstige) Bauweise als Hauptvorteile zu nennen sind.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Phys. Frank Peter
Einfluß der Ladungsbewegung auf den Verbrennungsablauf im Ottomotor
Der erhebliche Einfluß des Ladungsbewegungszustandes auf den Verbrennungsablauf ist als empirische
Erfahrung bekannt. Im vorliegenden Bericht wird versucht, die Wirkmechanismen aufzuklären und quantitative
Zusammenhänge anzugeben. Dazu werden durch verschiedene konstruktive Parameter in den
Ansaugkanälen und im Brennraum sowie Betriebsparameter (Drehzahl, Last) verschiedene
Ladungsbewegungszustände erzeugt, deren Auswirkung auf die Verbrennung durch Druckindizierung
bestimmt werden. Die Ladungsbewegungszustände selbst werden durch Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)
hoch zeitaufgelöst vermessen. In unterschiedlichen Strömungsmessungen und Auswertungen konnten
Aussagen zum mittleren Strömungsfeld, zum Verlauf der Turbulenz, zum Einfluß des turbulenten
Energiespektrums, des integralen Längenmaßes und des Strömungszustandes zwischen den
Zündkerzenelektroden gemacht werden. Es zeigte sich, daß verbrennungsseitig vor allem die
Flammenfrontfaltung gut mit den Ergebnissen der Strömungsmessungen korreliert. Durch Untersuchung der
Zylinderdruckverläufe von verschiedenen strömungsgenerierenden Maßnahmen bei zwei Zündkerzenpositionen wurde eine indirekte Proportionalität der Flammenfrontfaltung mit der Brenndauer
nachgewiesen. Durch hohe Grundströmung, hohe Turbulenz sowie große Längenmaße kann die
Verbrennung beschleunigt werden. Diese Parameter sind dann am wirksamsten, wenn sie an der Zündkerze
und in zeitlicher Nähe zum Zündzeitpunkt auftreten.
Dipl.-Ing. Michael Hortmann
Numerische Simulation und Optimierung von Wärmeübertragern
In diesem Bericht wird ein Finite-Volumen-Verfahren zur numerischen Strömungsberechnung mit
Wärmeübergang vorgestellt und zur Berechnung und Zustandsoptimierung von Wärmeübertragern
angewendet. Um den Wärmeübertrager als komplette Einheit simulieren zu können, wurde das MultifluidMultikanalkonzept implementiert, das die gleichzeitige Berücksichtigung aller am Wärmedurchgang beteiligten
Fluide erlaubt und die Berechnung der Temperaturverteilung in den Trennwänden und Rippen ermöglicht.
Restriktive Randbedingungen, wie die Angabe von Wandtemperaturen und Wandwärmeströme sind nicht
mehr notwendig. Das numerische Verfahren berücksichtigt körperangepaßte Gitter, mit denen die komplexen
Geometrien eines Wärmeübertragers modelliert werden können. Turbulente Strömungen werden mit dem k-εModell sowohl mit Wandfunktionen, als auch als Low-Re-Erweiterung mit Dämpfungsfunktionen simuliert. Die
gekoppelte Lösung der Impulsgleichung und der Kontinuitätsgleichung erfolgt unter Zuhilfenahme einer
Druckkorrekturgleichung nach dem SIMPLE-Verfahren. Als Gleichungslöser wird ein hocheffizienter und
stabiler Löser verwendet.
Im Dreidimensionalen entstehen bei der Diskretisierung komplexer Geometrien numerische Gitter mit
mehreren hunderttausend Stützstellen. Zur Rechenzeitverkürzung ist ein Mehrgitterverfahren implementiert,
dessen Glättungseigenschaften eine Konvergenzbeschleunigung erlauben. Der in dreidimensionalen
Berechnungen hohe Speicherplatzbedarf kann durch moderne Hochleistungsparallelrechner befriedigt
werden, da das hier vorgestellte Verfahren mit der Technik der Gebietszerlegung parallelisiert wurde.
BERICHTE ZUR
BEV
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Hochleistungswärmeübertragung
Essen, 29./30. Oktober 1996
Die Bereitstellung großer Wärmemengen oder deren Abfuhr auf kleinstem Raume stellt in vielen
Bereichen technischer Anwendung ein Problem dar, dessen Lösung oftmals entscheidende
Voraussetzung für die Realisierung des geplanten technischen Prozesses selbst ist. Dies gilt für
Anwendungen in der Elektro - und Computertechnik, der allgemeinen Prozeß- und Anlagentechnik,
der Wärme-Kraft-Prozesse vom Automobil bis hin zur Kraftwerkstechnik, gleichermaßen aber auch
für die Heizungs-, Kühl- und Klimatechnik. Eine Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung führt
zu einer Verkleinerung der Gesamtdimensionen und somit des Gewichtes der
Übertragungseinheiten und/oder zur Reduktion der notwendigen Temperaturdifferenzen. Die Realisierung großer Wärmeübergangskoeffizienten ist mit aktiven und passiven Methoden möglich.
Neben einer gezielten Beeinflussung des Strömungsfeldes durch z.B. Turbulenzgeneratoren unterschiedlicher Art oder beweglichen Einbauten, die jeweils auftretende thermische Grenzschichten
möglichst dünn halten sollen, ist die Nutzung von Phasenübergängen (Verdampfung und Kondensation) ein bewährtes Mittel. Wichtige Randbedingungen bilden dabei oftmals Fragen der
Effizienz von Wärmeübertragungseinheiten hinsichtlich der aufzuwendenden Pumpleistung und der
Wirkung von Verschmutzungserscheinungen.
Der Berichtsband gibt in schriftlicher Form auf 339 Seiten mit 214 Abbildungen die 16 Beiträge der
gleichnamigen Veranstaltung im Haus der Technik im Oktober 1996 wieder. Neben grundsätzlichen
Betrachtungen zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung unter Berücksichtigung der
Effizienz werden von ausgewiesenen Experten aus Forschung und Entwicklung einzelne Verfahren
mit ihren modernen Entwicklungen vorgestellt und Problemkreise, wie z.B. das Fouling,
ausführlicher behandelt. An ausgewählten Beispielen werden in der Praxis erprobte Methoden von
Vertretern aus unterschiedlichen Industriezweigen vorgestellt und moderne Lösungsansätze
besprochen. Einzelne Beiträge sind verfaßt von Mitarbeitern der Firmen BASF, Behr, BMW, INNEX,
GEA, Siemens, Siemens-KWU und der Universitäten Bochum, Chemnitz-Zwickau, Erlangen-Nürnberg, Guildford/Surrey (GB), Hannover und Stuttgart.
Erlangen 1996
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Gerd Koch
Untersuchungen zur Tropfenkondensation auf metallischen, hartstoffbeschichteten
Oberflächen
Dieser Bericht behandelt die Prüfung neuartiger Promoterschichten (Hartstoffschichten) zur Realisierung der
Tropfenkondensation (TK) auf unterschiedlichen Metallen, die Charakterisierung der Leistungsfähigkeit bei
der mit Wasserdampf unter Umgebungsdruck untersuchten Kondensationsform und die Feststellung zum
Einfluß unterschiedlicher Systembedingungen wie Randwinkelgröße, Wandneigung, Art des Wandmaterials
auf den Wärmeübergangskoeffizienten, sowie definierter Mischformen von Filmkondensation (FK) und TK.
Modellrechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode bestätigen die meßtechnischen Feststellungen bei
den inhomogenen und instationären Übertragungsvorgängen auf der TK-Oberfläche. Die Prüfung der
Funktionstüchtigkeit von Versuchsanlage und Meßtechnik wurde mit FK-Messungen in sehr guter
Übereinstimmung zur Nusseltschen Wasserhauttheorie vorgenommen.
Die TK ermöglicht Wärmeübergangskoeffizienten, die um eine Größenordnung größer sind als bei FK. Die
Tropfenkondensation wird möglich, falls zwischen Wand und Kondensat unvollständige Benetzung herrscht.
Metalle, die aufgrund guter Wärmeleitfähigkeit, der Vielfalt der Gestaltungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten
und der guten Festigkeitseigenschaften bevorzugt als Baumaterialien für Wärmeübertrager genutzt werden,
sind von nahezu allen Flüssigkeiten vollständig benetzbar (FK). Über eine Beschichtung der metallischen
Oberfläche mit Substanzen deutlich geringerer Oberflächenenergie können die für die TK nötigen
Benetzungsverhältnisse jedoch eingestellt werden. Dazu geeignete Schichten müssen einem umfangreichen
Anforderungsprofil entsprechen, denn, wie zahlreiche Untersuchungen zeigen, treten bei bereits bekannten
Schichten Stabilitätsprobleme auf und damit ein frühzeitiger Übergang von TK zu FK. Die Hartstoffschichten
zeigen Vorteile (günstige mechanische und tribologische Eigenschaften, hohe chemische
Widerstandsfähigkeit und Temperaturstabilität bis zu ca. 400°C) und sind zur Durchführung systematischer
Untersuchungen bei TK ausgezeichnet geeignet, weil Variationen im Herstellungsprozeß gezielt die
Realisierung unterschiedlich ausgeprägter Benetzungsverhältnisse ermöglichen.
Dipl.-Ing. Daniel Hofmann
Promotionspreis 1998 der
Technischen Fakultät
Universität Erlangen-Nürnberg
Zeit- und ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur- und
Konzentrationsverteilung in technischen Verbrennungssystemen über die gefilterte
Rayleigh-Streuung (FRS)
In dieser Arbeit wird die Fortentwicklung der Rayleigh-Streulichttechnik für eine verbesserte Nutzung in
technischen Verbrennungssystemen in Form der gefilterten Rayleigh-Streuung (FRS) vorgestellt. Eine
optische Filtertechnik verringert hierbei deutlich den größten Nachteil der Rayleigh-Streuung, die
Empfindlichkeit gegen Streulicht von Partikeln und Oberflächen.
Mit der FRS-Technik können die gleichen Meßgrößen erfaßt werden wie mit der konventionellen RayleighStreuung. Da durch die optische Filterung die direkte Proportionalität der detektierten Intensität zur Anzahldichte im Meßvolumen verloren geht, muß zur Bestimmung von Druck- und Temperaturverteilungen durch
geeignete Modelle die spektrale Form der Rayleigh-Linie in ihrer Abhängigkeit von Druck, Temperatur und
Spezies berücksichtigt werden.
Mit der in dieser Arbeit angewandten Detektions- und Auswertetechnik sind Messungen von 2d-Verteilungen
im Einzelschuß möglich. Solche Messungen wurden unter anderem an einer rußenden Flamme durchgeführt.
Diese Flammen waren auf Grund der Interferenzen mit der Lichtstreuung an den Rußpartikeln bisher für
Temperaturmessungen mit optischen Meßtechniken nicht einfach oder gar nicht zugänglich.
Durch die FRS-Technik werden auch Messungen an eingeschlossenen Meßobjekten durch die
Unterdrückung des Streulichts wesentlich erleichtert, wodurch bei Untersuchungen an technisch relevanten
Meßobjekten wie z.B. geschlossenen Brennkammern oder in Verbrennungsmotoren eine wesentlich höhere
Seriennähe des Versuchsträgers erreicht werden kann. Die Reduktion des Streulichts von gelegentlich im
Brennraum auftretenden Flüssigkeitstropfen läßt dabei auf ein großes Potential der FRS-Technik zur
Untersuchung von Flüssigverbrennungen schließen.
BERICHTE ZUR
BEV
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moderne Lösungsansätze
(III. Tagung)
Essen, 18./19. März 1997
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind - nach
den bereits in der Vergangenheit erzielten deutlichen Reduzierungen - die Automobilhersteller und
die betroffene Zulieferindustrie in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen
Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen rechtzeitig zu realisieren. Neben einer
Verbesserung derzeit eingesetzter Verfahren werden direkteinspritzende Brennverfahren sowohl für
die ottomotorische als auch für die dieselmotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen in
Verbindung mit variablen Einspritzverläufen. Die zeitgerechte Umsetzung erfordert den gebündelten
Einsatz aller wissenschaftlich-technischen Ressourcen unserer Gesellschaft, um die auftretenden
Detailprobleme der Einzelprozesse - Einspritzung, Zerstäubung, Verdampfung, Gemischbildung,
Zündung und Verbrennung - kompetent und zielorientiert angehen zu können. Sowohl
experimentell-meßtechnisch als auch theoretisch-modellbildende Kapazität ist gefordert. Die zur
gemeinsamen Lösung notwendigen, höchst unterschiedlichen Kompetenzen erzwingt eine
Zusammenarbeit der Automobilindustrie und deren Zulieferer mit einschlägigen Forschungs- und
Entwicklungseinrichtungen, die nach einem guten Start zukünftig noch vertieft werden muß.
Alle
Aspekte
der
aufgezeigten
Problematik,
von
den
Einzelprozessen
der
Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw.
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung und Emissionsmeßtechnik, werden
in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten
Vertretern aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 347 Seiten mit 253
Abbildungen wird in 21 Beiträgen von Vertretern der Motor-Industrie (BMW AG, Daimler-Benz AG,
Dornier GmbH, MAN Nutzfahrzeuge AG, Mercedes-Benz AG, MTU Friedrichshafen GmbH), von
Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen (Bosch GmbH, AVL List GmbH, ESYTEC GmbH, FEV
Motorentechnik GmbH, IAV GmbH, Siemens AG) und von einschlägigen privaten und öffentlichen
Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (Bruker-Franzen Analytik GmbH, FhG für Lasertechnik,
VDI-TZ Physik. Technologien, RWTH Aachen, U Erlangen-Nürnberg, U Heidelberg, TH Karlsruhe,
U Rostock) neueste Entwicklungen vorgestellt. Zusätzlich liegt (nichtgebunden) bei die Langfassung
eines Beitrages zur Rußmodellierung und die schriftliche Form eines Vortrages zum Stand der
Technik des DI-Ottomotors mit den Highlights einer gleichnamigen Veranstaltung der Vorwoche.
Erlangen 1997
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Andreas Fath
Charakterisierung des Strahlaufbruch-Prozesses bei der instationären Druckzerstäubung
Dieser Bericht beinhaltet die Untersuchung der dieselmotorischen Hochdruckeinspritzung mit dem Ziel, den
Strahlzerfall in seinen physikalischen Phänomenen besser erfassen und damit einen gezielten Einfluß auf den
Zerstäubungsprozeß nehmen zu können.
Die Vielzahl und Komplexität der am Zerstäubungsprozeß beteiligten Prozesse sowie die hohe Tropfendichte
und die kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen stellen an die Meßtechnik extrem hohe Anforderungen. Die
zur Untersuchung der Strahlausbreitung bereits häufig eingesetzte zweidimensionale Mie-Streulichttechnik
wurde entsprechend diesen Anforderungen modifiziert. Mit der entwickelten Meßsonde ist es erstmals
möglich, Strukturen im Inneren des Spraystrahles im Düsennahbereich lokal aufgelöst zu untersuchen.
Die Grundlagen des Strahlzerfalls werden in Form einer Vorstellung und Diskussion der unterschiedlichen
Strahlzerfallsmodelle erarbeitet. Zur Beurteilung der Modelle werden Untersuchungen an einer optisch
zugänglichen, beheizbaren Hochdruckkammer durchgeführt. Eine Charakterisierung des Strahlzerfalls wird
anhand zahlreicher Meßgrößen vorgenommen und gleichzeitig das Grundlagenwissen zum Strahlzerfall
durch Untersuchungen im Düsennahbereich erweitert. Eine umfassende Parametervariation hinsichtlich des
Einflusses von Einspritzdruck, Düsengeometrie, Gasdruck und -temperatur auf den Strahlzerfall über einen
weiten Reynoldszahl-Bereich rundet die Untersuchungen ab.
Basierend auf den Meßergebnissen wird eine Charakterisierung des Zerstäubungsprozesses vorgenommen
und sowohl der Ort des Strahlzerfalls als auch der jeweils vorherrschende Aufbruchsmechanismus ermittelt.
Der beobachtete Strahlzerfall wird mit den in der Literatur beschriebenen Zerfallsmodellen verglichen und
darauf aufbauend ein neues Modell vorgeschlagen.
Dipl.-Ing. Albert Thumann
Temperaturbestimmung mittels der Kohärenten-Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) unter
Berücksichtigung des Druckeinflusses und nichteinheitlicher Temperaturverhältnisse im
Meßvolumen
In dem Bericht werden verschiedene Aufbauformen der CARS-Spektroskopie bezüglich ihrer Einsatzmöglichkeiten zur Temperaturbestimmung miteinander verglichen. Für die alleinige Bestimmung der Temperatur
kamen
das
Vibrations-CARS-Verfahren
in
der
punktuellen
und
der
eindimensionalen
Phasenanpassungsgeometrie und das reine Rotations-CARS-Verfahren in den Aufbauvarianten RDBC-1 und
RDBC-2 zum Einsatz. Simulatan zur Temperatur wurde bei der Rotations-CARS-Technik die Genauigkeit der
relativen Sauerstoff-Stickstoff-Konzentrationsbestimmung überprüft.
Die Arbeit beinhaltet vergleichende Untersuchungen im Temperaturbereich zwischen 300 K und 2050 K bei
Atmosphärendruck und zwischen 300 K und 700 K im Druckbereich bis 200 bar. Verschiedene semi-empirische Modelle zur Beschreibung der Änderung der Linienbreiten bei hohen Moleküldichten werden
miteinander verglichen.
Der Einfluß von überlagerten Signalanteilen wurde bei der Vibrations-CARS-Technik beschrieben und bei der
Auswertung berücksichtigt und die Nutzbarkeit einer eindimensionalen Phasenanpassungsgeometrie zur
quantitativen Temperaturbestimmung für die Vibrations-CARS-Technik demonstriert. In zwei verschiedenen
Aufbauvarianten wurde die Dual-Broadband-Rotations-CARS-Technik zur simultanen Temperatur- und
Konzentrationsbestimmung eingesetzt, wobei mit der RDBC-2-Aufbauform eine deutliche Erweiterung des
Dynamikbereichs des Meßverfahrens möglich war.
BERICHTE ZUR
BEV
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Grundlagen und Apparate
der Wärmeübertragung
München, 20./21. Oktober 1998
Die Übertragung und Bereitstellung großer Wärmemengen bzw. deren Abfuhr ist mit teils gezielt
hohen Wärmeübergangskoeffizienten in vielen technischen Anwendungen oftmals die
Voraussetzung für die Realisierung eines geplanten Prozesses, was in einer entsprechend
konzipierten Apparatur seinen Ausdruck finden muß. Dies fachgerecht durchzuführen, setzt die
fundierte Kenntnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten, ihrer anwendungsbezogenen
Formelzusammenhänge und Berechnungsgleichungen, der Minimierung von Investitions- und
Verbrauchskosten (exergetisch günstige Prozeßführung), der Ablagerungsbildung und von
Erfahrungen mit erfolgreich umgesetzten Apparateausführungen voraus. In diesem Band werden
Grundlagen der Wärmeübertragung hinsichtlich der Nutzung von numerischen Verfahren und der
Wärmeübertragung mit Phasenwechsel (Verdampfung und Kondensation) behandelt und des
weiteren dann ausführlich auf den Apparat eingegangen, also der Wärmeüberträger grundlegend
und in praktischer Ausführung behandelt. Dazu werden speziell industrielle Ausführungsbeispiele
aus unterschiedlichen technischen Anwendungen mit Schwerpunkten in der Chemie- und
Verfahrenstechnik von Referenten aus der einschlägigen Industrie vorgestellt und spezielle
Probleme, z.B. in Form des Foulings, ausführlich bearbeitet.
Erlangen 1998
BERICHTE ZUR
BEV
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(IV. Tagung)
Essen, 16./17. März 1999
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die
Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie in besonderer Weise gefordert, die damit
verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen rechtzeitig zu realisieren.
Die direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl für die dieselmotorische als auch für die
ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen und werden mit besonderem
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung für den Pkw- und Nfz-Bereich
behandelt. Als Alternativen zum Diesel- und Ottomotor werden der Gasmotor und neue
Antriebskonzepte betrachtet und den konventionellen Antrieben gegenübergestellt.
Alle
Aspekte
der
aufgezeigten
Problematik,
von
den
Einzelprozessen
der
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zum Kraftstoffeinfluß und zur Abgasreinigung und
Emissionsmeßtechnik werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Hausder-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie, Behörden und Forschungseinrichtungen
behandelt. Auf 608 Seiten mit 415 Abbildungen wird in 43 Beiträgen von Vertretern der MotorIndustrie (BMW AG, DaimlerChrysler AG, MAN Nutzfahrzeuge AG, Volkswagen AG), von Zulieferund Meßtechnikunternehmen (AVL List GmbH, Bosch GmbH, ESYTEC GmbH, LaVision GmbH,
Siemens AG), der Mineralölindustrie (Veba Oel, Neste Oy), von Behörden (Umweltbundesamt) und
von einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (DLR
Stuttgart, Institut Motorenbau Prof. Huber GmbH, Inst. Physik. Hochtechnologie e.V., Jena, RWTH
Aachen, U Bielefeld, U Erlangen-Nürnberg, FH Hamburg, U Hannover, U Heidelberg, TH Karlsruhe,
FH München, U Rostock, U Stuttgart) neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet.
Erlangen 1999
Berichte zur
Dipl.-Phys. Friedrich Rabenstein
Nutzung der spontanen Raman-Streuung zur Untersuchung
technischer Verbrennungsprozesse
BEV
SAE
1998 Arch. T. Colwell
Merit Award
(für Teile der Arbeit)
In dem Bericht wird die Entwicklung eines laserspektroskopischen Meßverfahrens, basierend auf der linearen RamanStreuung vorgestellt. Aufgrund außerordentlich geringer Streuquerschnitte und daraus resultierender
niedriger
Signalintensitäten beim Raman-Streuprozeß ist das Verfahren besonders anfällig gegenüber Störsignalen, wie sie z.B. in
Einspritzprozessen auftreten können. In der Arbeit wird eine Reihe von Maßnahmen vorgestellt, mit dem diese Störeinflüsse überwunden werden können und quantitative Untersuchungen in bisher unzugänglichen Meßobjekten, wie
rußenden Flammen und Hochdruck-Einspritzprozessen möglich werden.
Wesentliche Störquellen in technischen Verbrennungsprozessen sind das Flammeneigenleuchten, die laserinduzierte
Inkandeszenz (LII), elastische Streuung, laserinduzierte Gasplasmen und vor allem die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF).
Eine Verringerung der Störsignalintensitäten relativ zum Raman-Signal bzw. eine Abtrennung vom Meßsignal kann durch
gezieltes Ausnutzen von Unterschieden im Erscheinungsbild der verschiedenen zugrundeliegenden physikalischen
Prozesse erreicht werden. Einen wesentlichen Einfluß auf das erzielbare Signal/Untergrundverhältnis hat hierbei die Wahl
der Anregungswellenlänge, da die Raman-Streuung und die laserinduzierten Hintergrundsignale eine deutlich
unterschiedliche Anregungs- und Emissionscharakteristik aufweisen. Für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten
Prozesse hat sich ein frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser als optimale Wahl erwiesen. Ein auf dieser Basis realisiertes
Meßsystem konnte erfolgreich zur quantitativen Konzentrations- und Temperaturbestimmung im Verbrennungsfeld einer
laminaren, teilvorgemischten CH4/Luft-Flamme eingesetzt werden, erstmals auch in Bereichen in der Nähe der
Reaktionszone, die eine deutliche Rußentwicklung zeigen.
Eine weitere Abtrennung der Raman-Signale von Störeinflüssen kann durch eine polarisationsaufgelöste Detektion
erreicht werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß Raman-Signale in der Regel stark polarisiert sind, während die
meisten Hintergrundsignale vollständig unpolarisiert auftreten. Als erstes Anwendungsbeispiel ist der Einsatz eines
Raman-Meßsystems zur quantitativen Bestimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Spraybereich eines verdampfenden
Dieselstrahls dargestellt. Die Ergebnisse zeigen eindimensional ortsaufgelöst den zeitlichen Verlauf des lokalen
Lambdawerts während des Einspritzprozesses. Quantitativ kann der Einfluß von Parametern, wie der Düsengeometrie,
des Kraftstoffs und des Einspritzdrucks ermittelt werden. Zusätzlich lassen sich über die simultane Registrierung der
Häufigkeit des Auftretens von laserinduzierten Gasplasmen, Formaldehyd- und PAH-LIF, sowie von Reaktionsprodukten
weitere Aussagen über den Reaktionsverlauf unter verschiedenen Randbedingungen treffen. Durch die eindimensionale
Ortsauflösung besteht weiterhin die Möglichkeit, das Auftreten von lokalen Gradienten des Luft/Kraftstoffverhältnisses im
Meßvolumen zu registrieren.
Dipl.-Ing. Hanno Krämer
Untersuchung motorischer Gemischaufbereitungs- und Verbrennungsvorgänge mit
zweidimensionaler laserinduzierter Exciplexfluoreszenz (LIEF)
In der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Exciplex-Tracersysteme zur phasengetrennten Untersuchung ottound dieselmotorischer Aufgabenstellungen entwickelt und angewendet. Hierbei wurden die physikalisch-chemischen
Eigenschaften der Systeme so gewählt, daß eines den mittleren Siedebereich von Ottokraftstoff und das andere den
unteren Siedebereich von Dieselkraftstoff widerspiegelt. Somit repräsentieren beide Tracersysteme sehr gut das Verhalten
ihrer jeweiligen Ersatzkraftstoffe (iso-Oktan und n-Dekan bzw. n-Dodekan). Damit entstanden verbesserte meßtechnische
Vorgehensweisen, die in Zukunft als Werkzeuge zur Weiterentwicklung sowohl extern als auch intern gemischbildender
Antriebsaggregate genutzt werden können.
In der Entwicklungsphase der Tracersysteme wurde, basierend auf spektralen Voruntersuchungen, das Anregungs- und
Detektionsschema für die späteren zweidimensionalen Untersuchungen festgelegt. Anschließend wurde die Dampfphase
der Systeme mit den gewählten Parametern charakterisiert, so daß die direkte Nutzung der Ergebnisse in der Anwendung
möglich war.
In der Anwendungspraxis wurden zwei verschiedene Untersuchungstypen eingesetzt: Die Untersuchungen in einer
Hochdruck-Hochtemperatur-Einspritzkammer, d.h. in einem System ohne den Einfluß äußerer Strömung und Turbulenz,
konzentrierten sich auf die Erfassung der Sprayausbreitung und –verdampfung von direkteinspritzenden
Gemischbildungssystemen unter möglichst einfachen und eindeutigen Umgebungsbedingungen. Umgekehrt wurden im
Motor möglichst viele Teilschritte der motorischen Wirkkette von der Einspritzung bis in die Verbrennung hinein mit einem
einzigen Meßsystem beobachtet, wodurch Wechselwirkungsmechanismen zwischen den verschiedenen Phasen des
Motorprozesses erkannt werden konnten.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Erik Schünemann
Experimentelle Untersuchungen zur Interaktion zwischen Einspritzstrahl und
Brennraumwand bei der dieselmotorischen Einspritzung
In dieser Arbeit werden die Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Brennraumwand bei der Kraftstoffeinspritzung unter den Randbedingungen kleinvolumiger DI-Dieselmotoren experimentell charakterisiert und die
Auswirkungen von Gemischbildungsparametern auf die Strahl-Wand-Interaktion betrachtet. Die Untersuchungsumfänge gliedern sich auf in motorische Untersuchungen an Real- und Transparentmotor sowie in
Grundlagenuntersuchungen zur Strahl-Wand-Interaktion ohne Einfluß der Ladungsbewegung in einer optisch
zugänglichen Hochdruck-Hochtemperatur-Einspritzkammer. An allen Versuchsträgern wird ein PKWCommon-Rail-Einspritzsystem mit Mehrlochdüse eingesetzt und Realkraftstoff verwendet.
Nach einer Darstellung der Gemischbildungsrandbedingungen aktueller kleinvolumiger DI-Dieselmotoren und
des Kenntnisstandes zur Strahl-Wand-Interaktion werden die verwendeten Versuchsträger und das genutzte
Einspritzsystem vorgestellt sowie die Anpassung der eingesetzten Lasermeßtechniken (Mie-Streulichttechnik,
Phasen-Doppler-Anemometrie, laserinduzierte Fluoreszenz) für Messungen unter dieselmotorischen
Randbedingungen beschrieben. In den motorischen Untersuchungen werden die Auswirkungen von
Einspritzparametern und Muldengeometrie auf wandnahe Strahlausbreitung und resultierende
Schadstoffemissionen betrachtet. Schwerpunkt der Einspritzkammermessungen ist die hochaufgelöste
Visualisierung und Quantifizierung der Spraydynamik in Wandnähe. Weiterhin wird die Wandfilmausbreitung
visualisiert. Aus den Meßergebnissen resultiert eine abgesicherte Modellvorstellung zur Strahl-WandInteraktion bei DI-Dieselmotoren mit kleinem Zylinderhubvolumen.
Dipl.-Ing. Michael Wensing
Charakterisierung von Benzineinspritzprozessen mittels zweidimensionaler Mie-Streuung
Der Bericht beschreibt Grundlagen, Meßsysteme und Anwendungen zweidimensionaler Lasermeßtechniken
auf Basis der Mie-Streuung zur Untersuchung von Benzineinspritzprozessen. Beginnend mit einem Überblick
der im Bereich der ottomotorischen Einspritzung auftretenden Zerstäubungsmechanismen und
Sprayeigenschaften werden Methoden zur Messung und Auswertung dieser Eigenschaften von den
Grundlagen der Mie-Streuung her eingeführt. Schwerpunkte in der durch kombinativen Einsatz mehrerer
Methoden umfassenden Spraybeschreibung bilden die Erfassung und Quantifizierung der instationären
räumlichen Sprayausbreitung, die Messung der Spraystruktur sowie eine neue Methode zur
mehrdimensionalen, d.h. simultan zweidimensionalen Messung von Tropfengrößen. Die vorgestellten
Meßmethoden und –systeme orientieren sich an den heute in der Saugkanaleinspritzung und der
Benzindirekteinspritzung vorliegenden Sprayeigenschaften und werden konkret an Meßaufgaben aus diesen
Bereichen behandelt. Geschilderte Meßbeispiele umfassen die Charakterisierung von Injektoren aus der
Saugkanal- und Direkteinspritzung in ruhender Umgebung, Applikationen zur Erfassung der
Sprayausbreitung innerhalb des Ansaugkanals von Serienmotoren mit minimalen optischen Zugängen sowie
die Messung der Sprayausbreitung bzw. Kraftstoffverteilung im Brennraum transparenter Motoren. Bei allen
beschriebenen Methoden wurde Wert auf eine weitgehend automatisierte Durchführung und Auswertung der
Messungen gelegt, die für den Einsatz der beschriebenen Meßtechniken im Bereich der Motor- und Einspritzsystementwicklung unumgänglich ist. Weiterhin wurde auf eine Ähnlichkeit der verwendeten Aufbaukonfiguration geachtet, so daß eine Vielzahl von Meßaufgaben mit einem minimalen Equipment oder sogar simultan
bearbeitet werden kann.
Berichte zur
BEV
Prof. Dr.-Ing. Hans Müller-Steinhagen
Modellierung der Ablagerungsbildung in Wärmeübertragern
Die Ausbildung von Ablagerungen an wärmeübertragenden Flächen führt zu einem zusätzlichen Wärmeübergangswiderstand (Foulingwiderstand), der durchaus in der Größenordnung der Wärmeübergangswiderstände
der reinen Fluide und der Rohrwand liegen kann. Außerdem führt dies aufgrund der Verengung des Querschnittes und der Zunahme der Rauhigkeit zu einer beträchtlichen Erhöhung des Strömungsdruckverlustes.
Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die modellgestützte Optimierung der Apparatekonstruktion
und des Anlagenbetriebes mit dem Ziel, die Bildung von Ablagerungen in Wärmeübertragern zu vermeiden
oder zumindest zu vermindern. Dies ist jedoch nur möglich, wenn Modelle für die lokale Ablagerungsbildung
mit Modellen für den gesamten Apparat oder für die gesamte Anlage kombiniert werden. Zur Formulierung
dieser Modelle wird ein gewisses Verständnis der vorliegenden Ablagerungsmechanismen benötigt, das
häufig nur durch systematische Labor- oder Betriebsmessungen erreicht werden kann. Eine exakte
Formulierung der Gleichgewichts- und Transportansätze, die die Bildung von Ablagerungen beschreiben, ist
nur in den seltensten Fällen möglich. In dieser Arbeit wird jedoch gezeigt, wie selbst mit näherungsweisen
Ansätzen oder mit stark vereinfachten Annahmen noch wertvolle Ergebnisse erzielt werden können. Dabei
wird eine systematische Vorgehensweise bei den Untersuchungen postuliert, die im Idealfall zu einer
weitgehenden wissenschaftlichen und technischen Durchdringung des vorliegenden Ablagerungsproblemes
führt. Diese Vorgehensweise wird anhand von zahlreichen theoretischen und praktischen Untersuchungen
erläutert.
Die vorliegende Arbeit wurde von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als Habilitationsschrift für das Fachgebiet Technische Thermodynamik angenommen.
Dipl.-Ing. Martin Schenk
Simultane Temperatur- und Konzentrationsmessung in binären und ternären Gemischen
mittels Rotations-CARS-Spektroskopie
Diese Arbeit ist der Weiterentwicklung der Rotations-CARS Spektroskopie zur simultanen und zeitaufgelösten
Temperatur- und Konzentrationsbestimmung gewidmet. Nach einer Einführung in die theoretischen und
molekülspektroskopischen Grundlagen befaßt sich die Arbeit zuerst mit einem Vergleich sowie der
Optimierung verschiedenster Auswertealgorithmen auf Basis des O2/N2-Systems bei 1 bar. Vergleichsaspekte
waren Einzelschußgenauigkeit, Nachweisgrenze, Störunempfindlichkeit, Geschwindigkeit, u. a.. Aufbauend
auf diesen Ergebnissen wurde der Untersuchungsbereich auf O2/N2-Drucksysteme (1-50 bar, 300-773 K)
ausgeweitet. Schwerpunkt war neben der Einzelschußgenauigkeit besonders die Abschätzung der Nachweisgrenze für O2 im Gemisch mit N2 in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Konzentration. Um diese
Nachweisgrenze zu verbessern, wurde die Option untersucht, über eine gezielte Verschiebung der
Ausleselaserfrequenz in den UV-Bereich (266 nm) den CARS-Streuquerschnitt von O2 relativ zu N2 zu
erhöhen.
Aufgrund der großen Bedeutung des CO2-Moleküls als Verbrennungsprodukt wurden die Untersuchungen
erstmalig auf CO2-Reingas, sowie N2/CO2- und O2-/CO2/N2-Gemische ausgedehnt, und die Einsatzfähigkeit
von Rotations-CARS zur simultanen Temperatur- und O2/N2-, sowie CO2/N2-Konzentrationsbestimmung
erfolgreich demonstriert. Dabei wurden auch die programmtechnischen Grundlagen für die Einbeziehung des
Brennstoffes Acetylen gelegt. Die Zulässigkeit der für CO2 verwendeten, vereinfachenden Modelle wurde
erfolgreich überprüft und ein einheitliches Bild der Abhängigkeiten der erzielbaren Genauigkeiten und
Nachweisgrenzen von Druck, Temperatur und Konzentration gegeben. Signifikantestes Ergebnis war dabei
die enorme Zunahme der CO2-Konzentrationsempfindlichkeit mit steigendem Druck. Die technische
Anwendbarkeit wurde am Abgaskrümmer eines Otto-Serienmotors und einer turbulenten Vormischflamme
demonstriert.
Vorgestellt sind ferner die Erweiterung des Detektionssystems zur kombinierten Erfassung von Vibrations-und
Rotations-CARS, welche die simultane Detektion von CO, N2, O2, CO2, H2, der Vibrationstemperatur TVib und
der Rotationstemperatur TRot ermöglicht, sowie ein Vorschlag für ein Mehrfarbendetektionsschema (TriplePump-CARS), welches die simultane Aufzeichnung dreier unabhängiger Raman-Verschiebungsbereiche
erlaubt und eine vergleichbar gute interne Referenzbildung bietet wie Rotations-CARS oder Dual-PumpCARS.
BERICHTE ZUR
BEV
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(V. Tagung)
Essen, 13./14. März 2001
Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie nach wie vor in besonderer Weise gefordert,
die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren.
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung für den Pkw- und Nfz-Bereich, so
auch der Wirkung einer Einspritzverlaufsformung, bzw. de Benzineinspritzung behandelt, wobei
letztere hinsichtlich des Brennverfahrens (luft-, strahl- oder wandgeführt) und attraktiver Alternativen, z.B. dem variablen Ventiltrieb, noch in einem recht frühen Entwicklungsstadium steht. Als
alternative Techniken werden der Dampfmotor als Zero Emission Engine und die
Wasserstofftechnologie
(Brennstoffzelle
und
H2-Motor)
behandelt.
Übergeordnetes
Querschnittsthema stellen dabei die motorischen Partikel dar.
Alle
Aspekte
der
aufgezeigten
Problematik,
von
den
Einzelprozessen
der
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung werden in diesem Berichtsband
einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie
und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 620 Seiten mit über 570 Abbildungen wird in 48
Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie (BMW AG, DaimlerChrysler AG, DEUTZ AG, Ford
AG, MAN Nutzfahrzeuge AG und Volkswagen AG), sowie von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen (AVL List GmbH, Bosch GmbH, Cosworth Technology, ESYTEC GmbH, FEV
GmbH, META GmbH, NGK Europe GmbH, Dr. Schrick GmbH und Siemens AG) und von
einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen CONCAWE
Brüssel/Belgien, HTW Dresden, IAV Berlin, IMH München, Instituto Motori Neapel/Italien, Lund Inst.
Technology/Schweden, Inst. Niedertemperatur-Plasmaphysik Greifswald, Inst. Umwelttechnologien
GmbH Adlershof, RWTH Aachen, TU Braunschweig, U Erlangen, U Hannover, U Heidelberg, U
Karlsruhe, U L’Aquila/Italien, U College London/GB, TU München, U Stuttgart und U WisconsinMadison/USA).
Erlangen 2001
Berichte zur
BEV
Dipl.-Phys. Joachim Jonuscheit
Simultane zeit- und ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur und des Brennstoff-LuftVerhältnisses mittels der Kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS)
In dem vorliegenden Bericht wurden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Temperatur und des
Brennstoff-Luft-Verhältnisses mittels kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) entwickelt und
angewandt. Für die gleichzeitige Erfassung von Kohlenwasserstoffen, welche in vielen Fällen als Brennstoff
dienen, und Sauerstoff als verbrennungstechnisch wichtigste Luftkomponente kamen die reine
Rotations-CARS-, die reine Vibrations-CARS- sowie eine kombinierte Rotations- und Vibrations-CARSTechnik zum Einsatz. Neben den zweiatomigen Molekülen Sauerstoff und Stickstoff wurden Schwefeldioxid,
Ethen und Methan als Vertreter mehratomiger Moleküle theoretisch und experimentell untersucht.
In der Entwicklungsphase wurden die verschiedenen Methoden mittels Kalibriergasen bei unterschiedlichen
Temperaturen und Drücken untersucht. Reines Schwefeldioxid und Ethen wurden eingesetzt, um experimentell ermittelte Spektren mit theoretisch berechneten Spektren vergleichen zu können. Für Kalibriermessungen
wurden Ethen-Luft- und Methan-Luft-Mischungen mit verbrennungsrelevanten Gaszusammensetzungen verwendet.
Als Anwendungsobjekte wurden zwei unterschiedliche atmosphärische Brenner untersucht. In beiden Fällen
wurden vorgemischte Brenngase zugeführt, welche auf Grund ihrer Zusammensetzung eine starke Rußbildung zur Folge haben. Während die Ethen-Luft-Flamme des Bunsen-Brenners sowohl Temperatur- und Konzentrationsgradienten in Strömungs- und radialer Richtung aufweist, zeigt die Methan-Luft-Flamme des
McKenna-Brenners nur Gradienten in Strömungsrichtung.
Dipl.-Ing. K.H. Choi
Gezielte Einstellung und wärmetechnische Charakterisierung der Tropfenkondensation auf
ionenimplantierten Oberflächen
In dieser Arbeit wurde eine neue Methode für die langzeitige Erzielung von Tropfenkondensation auf
metallischen
Oberflächen
vorgestellt.
Auf
Basis
thermodynamischer
Betrachtungen
des
Kondensationsvorgangs erlauben die theoretischen Resultate eine Voraussage über die unvollständige
Benetzung mittels Ionenimplantation und der dafür notwendigen Mindestdosis [Anzahl der Ionen / Fläche].
Diese bezifferte Dosis ist so gering, daß man nicht von einer Beschichtung sprechen kann. Um die Richtigkeit
der Voraussagen experimentell nachzuweisen, wurden zwei Anlagen konzipiert, darunter eine, in der
gleichzeitig 20 Metallproben auf ihre unvollständige Benetzung und auf Langzeitstabilität überprüft wurden.
Einige Proben wurden so nun seit über zwei Jahren auf ihre unvollständige Benetzbarkeit erfolgreich getestet.
Um quantitative Aussagen über die erzielbaren Wärmeübergangskoeffizienten zu treffen, wurde eine weitere
Anlage konzipiert, mit der über systematische Variationen der Einflußgrößen Dampfreinheit,
Oberflächenrauhigkeit des Basismaterials, Höhe der Ionendosis, Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials,
Dampfüberdruck und Unterkühlung eine bis zu 17-fache Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten im
Vergleich zur Filmkondensation entsprechend der Nußelt-Theorie erzielt werden konnte.
Berichte zur
BEV
Dr. rer. nat. Friedrich Dinkelacker
Struktur turbulenter Vormischflammen
Eines der grundlegenden Themen der Verbrennungstechnik ist die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und
Reaktion in turbulenten Flammen. Gerade bei hohen Turbulenzintensitäten, wie sie in Motoren, Gasturbinen
oder Industriefeuerungen auftreten, wurden seit 60 Jahren verschiedenste Modellansätze kontrovers diskutiert. Besonders für turbulente Vormischflammen waren Messungen lange Zeit nur sehr eingeschränkt und
indirekt möglich, weil die Flammenfront hier dünner als ein Millimeter sein kann und sehr starke räumliche
Fluktuationen im Turbulenzfeld aufweist. Wesentliche Fortschritte sind nun durch planare und dreidimensionale Lasermesstechniken möglich geworden, die berührungsfrei sind und eine hinreichend aufgelöste
räumliche und zeitliche Erfassung der direkten Struktur turbulenter Flammen erlauben.
In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen verschiedener Arbeitsgruppen zur turbulenten Flammenstruktur auf eine vergleichbare Ebene gebracht und im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Modellansätzen diskutiert. Es zeigt sich, dass in früheren Modellen die Bedeutung der kleinskaligen
Kolmogorov-Wirbel auf die Flammenstruktur deutlich überschätzt wurde. Als Begründung wird zum einen der
stark temperaturabhängige Viskositätseinfluss auf die Dissipation der kleinsten Wirbel angeführt, zum
anderen aber die starke Lokalisierung dieser kleinskaligen Turbulenzstrukturen. Dagegen zeigt sich ein deutlicher Streckungseinfluss durch lokale Strömungsgradienten auf die Flammenfrontstruktur. Dieser
Streckungseinfluss führt entgegen den theoretisch erwarteten verdickten Flammenfronten brennstoffabhängig
teilweise sogar zu dünneren Flammenfronten. Eine Neubewertung der physikalischen Modellvorstellungen
führt zu einem modifizierten Bereichsdiagramm für turbulente Vormischflammen.
Die vorliegende Arbeit wurde von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als
Habilitationsschrift für das Fachgebiet Technische Thermodynamik angenommen.
Dipl.-Ing. Armin Soika
Promotionspreis 2002
der
Laseroptische Untersuchungen zum Einfluss
des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen
Die Verbrennung fossiler Energieträger erfolgt meist in Hochdruckbrennkammern mit stark turbulenter
Strömung. Vor allem die verbesserte Stabilität turbulenter Vormischflammen und die erhöhte chemische
Reaktivität bei Drucksteigerung ermöglichen bei weiterer Prozessoptimierung die Einhaltung zukünftiger
Emissionsauflagen. Wegen des erhöhten experimentellen Aufwandes sowie der Komplexizität der
numerischen Beschreibung ist diese Art der Verbrennungsführung bislang jedoch nur wenig untersucht worden mit demzufolge fehlendem Verständnis des Reaktionsablaufes.
Um den Einfluss des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen unter Einsatz planarer Lasermessmethoden quantitativ zu erfassen, wurde ein optisch zugänglicher Hochdruckbrennkammer-Prüfstand
aufgebaut. Die Konstruktion der Versuchsanlage sowie die Grundlagen der angewandten Rayleigh-Streuung
und laserinduzierten Fluoreszenz werden beschrieben. Neben der Diskussion globaler Flammenphänomene
bei Drucksteigerung auf 10 bar stand die experimentelle Bestimmung der Flammenfrontkrümmung
gasturbinentypischer Verbrennungsprozesse im Vordergrund. Um mögliche Mechanismen der verstärkten
Flammenfrontauffaltung bewerten zu können, wurde das turbulente Strömungsfeld vermessen und die
Reaktionskinetik der Methan/Luft-Verbrennung mit CHEMKIN simuliert. Es zeigt sich, dass die abnehmende
Faltungslänge der Flammenfront eine ähnliche Druckentwicklung wie die Taylor-Wirbelskalen besitzt. Als ein
Indiz für den zunehmenden Einfluss der Reaktionskinetik bei Hochdruckverbrennungsprozessen wird die gute
Übereinstimmung der Krümmungscharakteristik mit der durch lineare Analyse abgeleiteten Flammeninstabilität in Trend und Stöchiometrieverhalten gewertet.
Berichte zur
Dipl.-Phys. Stephan Schraml
BEV
Innovationspreis Lasertechnologie 2001
Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik zur Rußdiagnostik dieselmotorischer
Verbrennungsprozesse
Im Mittelpunkt dieses Berichtes steht die Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik (LII) an motorischen
Verbrennungssystemen in verschiedenen Ausführungsvarianten. Dabei wird das zum Einsatz kommende
laseroptische Verfahren zunächst detailliert dargestellt und in Bezug auf die technische Applikation weiterentwickelt. Hierbei werden vielfältige Möglichkeiten aufgezeigt und Messstrategien entwickelt, die das gesamte Anwendungsspektrum von innermotorischen Grundlagenuntersuchungen bis hin zum standardisierten
Einsatz als Abgasmesstechnik abdecken. Neben der Rußmassenkonzentration wird hierbei insbesondere
auch die Primärteilchengröße, die die Oberflächenemission des Motors beschreibt, als zusätzliche
Messgröße mit einbezogen.
Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnten vielfältige aktuelle Fragestellungen zur Dieselrußemission
bearbeitet werden. Bei zweidimensional abbildenden Untersuchungen innerhalb des Brennraums eines
Common-Rail-Dieselmotors konnten beispielsweise der Einfluss verschiedener Einspritzdüsengeometrien auf
die Rußbildung sowie das zeitliche Verhalten der Rußmassenkonzentration untersucht werden. Mit dem für
den Abgasbereich vorgestellten kompakten Sensor konnten weiterhin Einflüsse von Drehzahl, Last, Einspritzund Ladedruck, Kraftstoff und transienten Lastwechseln auf verschiedene Kenngrößen des Abgasrußes aufgedeckt werden.
Dipl.-Ing. Thomas Hubner
Simultane Bestimmung von Feststoffdichte, Korngröße und Partikelform mittels
laseroptischer Sedimentationsverfahren
In diesem Bericht werden neuartige Sedimentationsmesstechniken zur simultanen Bestimmung mehrerer
Partikelmerkmale vorgestellt. Die Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße stellen zentrale
Kenngrößen von heterogenen Partikelkollektiven, insbesondere des Umweltmediums Boden, dar. Sie
ermöglichen wertvolle Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des
Bodens, beispielsweise das Adsorptionsvermögen, die Kompaktierbarkeit, die Fähigkeit zur
Feuchtigkeitsaufnahme, das Wasserrückhaltevermögen oder die hydraulische Leitfähigkeit. Bei der
Bodenreinigung ist die Kenntnis der Verteilungen von Korngröße und Feststoffdichte bedeutsam, da
einerseits der Schadstoffgehalt mit der Feststoffdichte und Korngröße korreliert und andererseits viele
verfahrenstechnische Dekontaminationsprozesse, insbesondere Klassier- bzw. Sortierprozesse, auf
unterschiedlichen Korngrößen und Feststoffdichten des Aufgabegutes beruhen.
Die physikalischen Grundlagen von laserbasierten Sedimentationsverfahren zur simultanen Bestimmung der
Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße werden in diesem Bericht expliziert dargestellt. Dabei werden
mit der Kombination der beiden Korngrößenmesstechniken Photosedimentation und Laserbeugung sowie der
Sedimentationsanalyse mittels digitaler Bildverarbeitung zwei alternative, auf unterschiedlichen
Partikelmerkmalen beruhende Messverfahren vorgestellt, wobei letzteres zusätzlichen Informationsgewinn
über die Partikelform ermöglicht. Die Berechnungsmodelle zur Ermittlung der Feststoffdichte unter
Einbeziehung des Strömungszustandes sowie der Partikelform werden umfassend erläutert und anhand von
Simulationsrechnungen verifiziert. Experimentell wurden die Untersuchungen in modularen und kompakten
Instrumenten durchgeführt, wobei bis auf die Laserbeugung Eigenentwicklungen verwendet wurden. Der
Aufbau und die Funktionsweise dieser Instrumente sowie der verwendeten optischen Messtechniken wird
detailliert dargestellt. Resultate von experimentellen Untersuchungen an homogenen Materialien, darunter
zertifizierte Referenzmaterialien, an heterogenen Partikelkollektiven sowie an verschiedenen Bodenarten
werden dargestellt. Eine explizite Fehlerfortpflanzungsanalyse zeigt die Möglichkeiten und Limitationen dieser
Messverfahren zum jetzigen Zeitpunkt auf.
Berichte zur
Dipl.-Phys. Andreas Paul Fröba
Simultane Bestimmung von Viskosität und
Oberflächenspannung transparenter Fluide
mittels Oberflächenlichtstreuung
BEV
Staedtler-Promotionspreis 2002
DKV-Nachwuchsförderpreis für
herausragende
wissenschaftliche Arbeiten 2003
Bereits seit Einführung des Lasers in den 60‘er Jahren existiert der Wunsch, neben dem vorhandenen zahlreichen Ensemble konventioneller Messmethoden zur Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung
die Methode der Oberflächenlichtstreuung (Surface Light Scattering, SLS) zu etablieren. Zwar zeigen frühe
Arbeiten der klassischen Hydrodynamik und der frequenzauflösenden Spektroskopie auf, dass die Viskosität
und, bei bekannter Dichte, simultan die Oberflächenspannung aus der spektralen Verteilung des an der
Grenzfläche zwischen zwei Phasen gestreuten Lichtes bestimmt werden kann, jedoch scheiterte bislang
selbst für einfache fluide Ober- bzw. Grenzflächen die standardmäßige Anwendung der Methode aufgrund
einer unzureichenden Genauigkeit.
In dieser Arbeit wurde nun erstmals eine Verfahrensweise für die Methode der Oberflächenlichtstreuung entwickelt, mit der eine simultane Erfassung von Viskosität und Oberflächenspannung mit hoher
Messgenauigkeit - in vielen Fällen besser als 1 % für beide Größen - ermöglicht wird. Im Vordergrund
standen dabei Fragen möglicher Einflüsse einer Beschreibung der Arbeitsgleichungen in Näherung, einer
optimierten Konzeption der laseroptischen Messanordnung und der Anwendbarkeit der Methode auf
verschiedene Proben über einen weiten Zustands- und Viskositätsbereich (10 µPas – 10 Pas). Hieraus wird
deutlich, dass mit der Methode der Oberflächenlichtstreuung vergleichsweise einfach ein großer Messbereich
realisiert werden kann, der den bisheriger Untersuchungen mit konventionellen Methoden übersteigt. Eine
Erweiterung des Anwendungsspektrums ist möglich und überdeckt die gesamte Breite verschiedenster Fluide
bis hin zu hochviskosen Schmelzen.
Zusammenfassend stellt die Oberflächenlichtstreuung im Hinblick auf eine standardmäßige und genaue Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung ein nun erprobtes Messverfahren dar. Ein vielversprechender Einsatz der im Rahmen der Arbeit entwickelten innovativen Verfahrensweise ergibt sich
beispielsweise in deren direkten Fortführung bzw. Übertragung bei der Realisierung von Geräten zur jeweils
getrennten oder auch simultanen Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung.
Dipl.-Ing. Christian Fettes
Untersuchungen zur Common-Rail-Einspritzung für PKW-Dieselmotoren mittels
kombinativer Applikation optischer Messmethoden
In dieser Arbeit werden Eigenschaften der Common-Rail-Einspritzung für PKW-Dieselmotoren mittels
experimenteller Untersuchungen an einem Einzylinder-Transparentmotor unter Berücksichtigung der
innermotorischen Wirkkette von Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung, Zündung und Verbrennung
analysiert. Hierzu kommt eine geeignete Kombination von örtlich und zeitlich hochauflösenden optischen
Messverfahren zum Einsatz.
Nach einer Darstellung der aktuell im Motorenbau relevanten Einspritzverfahren und des mittels optischer
Messverfahren definierten Kenntnisstandes zum Ablauf des dieselmotorischen Prozesses werden geeignete
Verfahren miteinander kombiniert, um die teilweise gleichzeitig ablaufenden innermotorischen Phänomene
simultan visualisieren zu können. Versuchsträger, Messverfahren und eingesetzte Einspritzhardware werden
detailliert charakterisiert. Anhand von verschiedenen Parametervariationen, die sich auf Untersuchungen zur
Düsen-Spritzlochgeometrie, zum Raildruck- und Verdichtungsenddruck-Einfluss sowie zum Einsatz einer
Voreinspritzung beziehen, wird ein Modell für den optimierten Ablauf des innermotorischen Prozesses für
PKW-Dieselmotoren abgeleitet.
BERICHTE ZUR
BEV
______________________________________________________
(VI. Tagung)
München, 18./19. März 2003
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung für den Pkw- und Nfz-Bereich bzw.
die Benzindirekteinspritzung behandelt. Attraktive Alternativen werden aufgezeigt, wie z.B. der
variable Ventiltrieb oder der Gasmotor, letzterer in einer eigenen Sitzung. Übergeordnetes
Querschnittsthema stellen auch dieses Jahr wieder die motorischen Partikel dar.
Alle
Aspekte
der
aufgezeigten
Problematik,
von
den
Einzelprozessen
der
und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 520 Seiten mit über 430 Abbildungen wird in 42
Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie (AUDI AG, BMW AG, Caterpillar GmbH,
DaimlerChrysler AG, Ford AG, GM Opel Powertrain GmbH, Hatz GmbH, MAN Nutzfahrzeuge AG
und Volkswagen AG), sowie von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen (AVL List GmbH, Bosch
GmbH, Delphi Coop./Luxemburg, ESYTEC GmbH, EilringKlinger GmbH, FEV GmbH, Mann +
Hummel GmbH, META GmbH, NGK Europe GmbH und Siemens VDO Automotive AG) und von
einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen EMPA
Dübendorf/Schweiz, Engineering Center Steyr GmbH St. Valentin/Österreich, ETH Zürich/Schweiz,
IAV Berlin, Institute of Petroleum Processing Krakau/Polen, Instituto Motori Neapel/Italien, Inst.
Physikalische Hochtechnologie Jena, Montan Univ. Leoben/Österreich, RWTH Aachen, RWTÜV
Fahrzeug GmbH, TU Graz, U Erlangen, U Hannover, U Heidelberg, U Karlsruhe, U Rostock und U
Stuttgart.
Erlangen 2003
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Wolfgang Timm
Modellierung des Wärmeübergangs auf der Kühlstrecke von Warmwalzstraßen
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Modelle zur Berechnung des Wärmeübergangs auf Kühlstrecken
von Warmwalzstraßen entwickelt, die in der Steuerungssoftware von derartigen Anlagen zum Einsatz
kommen. Die Abkühlung von glühenden Stahlbändern wird mittels kalter Wasserstrahlen realisiert, wobei
Wärmestromdichten von mehr als 10 MW/m² auftreten. Zur Modellierung wurde sowohl ein thermodynamisch
fundiertes Modell als auch ein statistischer Ansatz erstellt.
Letzterer ist zur softwaretechnischen Bewältigung der Betriebsbedingungen einer realen Anlage erforderlich.
Er wurde aus der Analyse von Betriebsdaten abgeleitet, indem der Modellfehler bei der Berechnung der
Endtemperaturen von mehreren Tausend Bändern mit Messdaten verglichen und durch Optimierung der
zugehörigen Parameter sukzessive verringert wurde. Aus der Analyse ergab sich, dass die
Wassertemperatur einen starken Einfluss auf die Kühlleistung hat, wohingegen die Geschwindigkeit des
Stahlbandes kein wesentlicher Faktor ist. Diese Beobachtungen wurden bei der Aufstellung eines
thermodynamischen Modells berücksichtigt, das zur Vorinitialisierung der Parameter des statistischen Modells
verwendet wird.
Die Lösungen der bestimmenden Transportgleichungen wurden mit Hilfe der Grenzschichttheorie erhalten.
Hierzu wurde ein Turbulenzmodell entwickelt, das die Auswirkungen der Siede- und Kondensationsvorgänge
auf den Wärmeübergang und das Strömungsprofil an der Kontaktfläche zwischen Stahl und Wasser
beschreibt. Es konnte eine gute Übereinstimmung zwischen dem theoretischen Modell und den Ergebnissen
der Betriebsdatenauswertung erzielt werden.
Dipl.-Phys. Eberhard Kull
Einfluss der Geometrie des Spritzlochs von Dieseleinspritzdüsen auf das Einspritzverhalten
Im Rahmen der Arbeit wird der Einfluss, den die Geometrie eines Spritzlochs auf Kavitation und Massenstrom
hat, aufgezeigt. Dies geschieht an Hand von Messungen an optisch zugänglichen zweidimensionalen
Spritzlochmodellen.
Es
werden
Messungen
der
Einzelstrahlmengenverteilung
an
realen
Dieselmehrlochdüsen mit asymmetrischer Spritzlochkonfiguration vorgestellt. Ein Vergleich der
Einzelstrahlmengen mit der Strahlbildsymmetrie wird durchgeführt. Hierbei werden Faktoren, die die
Strahlbildsymmetrie bei Sitzlochdüsen auf Common-Rail-Systemen beeinflussen, dargestellt.
Bei den Messungen an zweidimensionalen Spritzlochmodellen werden folgende Geometrieparameter variiert:
Einlaufverrundung, Konizität der Bohrung, Durchmesser, Spritzlochlänge, Anströmwinkel und
Bohrungswinkel. Immer wird das Kavitationsverhalten optisch visualisiert sowie der Massenstrom gemessen.
Es können klare Aussagen über die Wirkung einer Geometrieänderung auf den Massenstrom bei nicht
kavitierender und kavitierender Strömung gemacht werden. Das Druckverhältnis von Vordruck zu
Gegendruck, bei dem die Geometrie zu sperren beginnt, d.h. der Massenstrom nicht mehr vom Gegendruck
abhängt, wird bestimmt.
Ein Messsystem für die Bestimmung der Einzelstrahlmengen von Mehrlocheinspritzdüsen wird beschrieben.
Hiermit werden sowohl stationäre Messungen der Einzelstrahlmengenverteilung bei 10 MPa sowie
Messungen am Injektor bei realen Einspritzdrücken durchgeführt. Der Einsatz von Einspritzdüsen mit
asymmetrischer Spritzlochkonfiguration für einen Zweiventilmotor zeigt, dass der Haupteinflussfaktor auf die
Einzelstrahlmengenverteilung der Spritzlochhöhenwinkel ist.
Beim Vergleich der Einzelstrahlmengenverteilung mit der Einspritzstrahlausbreitung zeigt sich, dass bei
symmetrischer Strahlausbreitung auch bei Injektormessungen der Höhenwinkeleinfluss Haupteinflussfaktor
ist. Wird eine Sitzlochdüse mit asymmetrischem Strahlbild auf einem Common-Rail-Injektor untersucht, so
zeigt sich, dass abhängig von der Ansteuerdauer des Injektors der Einfluss der Strahlbildasymmetrie auf die
Einzelstrahlmengenverteilung mehr oder weniger stark den Höhenwinkeleinfluss überdeckt.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Corren Heimgärtner
Die laserinduzierte Glühtechnik als quantitatives Messverfahren zur Charakterisierung der
Rußemissionen im Abgas von Verbrennungsmotoren
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz der laserinduzierten Glühtechnik als quantitatives
Messverfahren zur Charakterisierung der Rußemissionen im Abgas von Verbrennungsmotoren beschrieben.
Nach der theoretischen Ableitung der für die Arbeit zugrundeliegenden Modellierung wird der Aufbau eines
Sensors auf Basis dieser Messtechnik beschrieben. Anhand zahlreicher Beispiele aus dem Bereich der
Motor- und Fahrzeugzertifizierung werden die Einsatzmöglichkeiten des LI²SA-Sensors dargestellt.
Im Zentrum der Untersuchungen stand die Korrelation und Verifizierung der mittels des LI²SA-Sensors
gemessenen Rußmassenkonzentration zur Gravimetrie und Coulometrie etc. Soweit möglich wurde die vom
Sensor gemessene Primärpartikelgröße mit elektronmikroskopischen Aufnahmen verglichen.
Die dazu notwendigen Versuche wurden an einer Vielzahl von modernen Pkws und
Nutzfahrzeugdieselmotoren am Rollen- und Motorenprüfstand durchgeführt, die teilweise mit modernen
Abgasnachbehandlungssystemen wie beispielsweise SCR-Katalysatoren und Partikelfiltersystemen
ausgestattet
waren.
Die
Möglichkeiten
mittels
des
L²ISA-Sensors
diese
hocheffektiven
Partikelabscheidesysteme zuverlässig zu bewerten, und zu optimieren, werden auführlich beschrieben.
Weiterhin wurden grundlegende Versuche und zur Partikeloptimierung an modernen Dieselmotoren mittels
Common-Rail-Einspritztechnik durchgeführt. Die Einflüsse von Einspritzbeginn, -druck, -zeitpunkt und die
Möglichkeiten mittels Vor- und Nacheinspritzung die Partikelemissionen zu minimieren, konnten aufgrund der
hohen Empfindlichkeit und Zeitauflösung des Systems sehr genau quantifiziert werden.
Dipl.-Phys. Stefan Dankers
Einsatz der Laserinduzierten Glühtechnik zur Charakterisierung von Nanopartikeln unter
produktionsnahen Bedingungen
Für die Bestimmung der Primärteilchengröße von Nanopartikeln wird im Rahmen dieser Arbeit die
laserinduzierte Glühtechnik (Laser-Induced Incandescence - LII) eingesetzt. Die Anwendbarkeit der Technik
auf Industrieruße wird in Laboruntersuchungen an redispergierten Pulvern nachgewiesen. Die Ergebnisse
korrelieren
dabei
mit
nur
geringen
systematischen
Abweichungen
mit
denen
aus
Transmissionselektronenmikroskop
(TEM)-Analysen.
Die
Applikation
von
LII
an
diversen
Industrierußproduktionsreaktoren verdeutlicht auch die Eignung der Methode zur Online-Prozesskontrolle.
Weiterhin wird eine Auswertestrategie zur schnellen und aussagekräftigen Rekonstruktion von
Primärpartikelgrößenverteilungen entwickelt, die auf der Tatsache beruht, dass sich während der Abkühlung
der mit dem Laser aufgeheizten Partikel die Gewichtung der Beiträge einzelner Partikelgrößenklassen zum
thermischen Strahlungssignal ändert. Die Auswertung des LII-Signals in zwei oder mehr Zeitbereichen kann
höhere Momente der Teilchengrößenverteilung liefern. Die Vergleiche der ermittelten Primärteilchengrößenverteilungen aus verschiedenen Industrierußreaktoren und aus motorischem Abgas mit TEM-Analysen
zeigen größtenteils eine sehr gute Übereinstimmung. Außerdem wird die LII auf Partikelsyntheseprozesse
anderer Stoffsysteme, wie Zirkonoxid-, Titandioxid-, Silber- und Kupferpartikeln, angewendet. Die viel
versprechenden Ergebnisse dieser Messungen zeigen das Potential zur Charakterisierung dieser Materialien.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Jan Egermann
Einsatz der linearen Raman-Streuung zur Analyse der Gemischbildung direkteinspritzender
Ottomotoren
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Applikation der Raman-Meßtechnik zur Untersuchung des
Verdampfungs- und Gemischbildungsprozesses moderner direkteinspritzender Otto-Motoren. Wesentlich für
den erfolgreichen Einsatz der Messtechnik in diesem Anwendungsgebiet ist eine Minimierung der
auftretenden Signalbeeinflussungen, da der Raman-Prozeß nur eine sehr geringe Signalstärke aufweist. Den
möglichen auftretenden Störquellen beim Einsatz der Meßtechnik zur Untersuchung motorischer Prozesse
wurde im Rahmen dieser Arbeit daher besondere Aufmerksamkeit gewidmet und Maßnahmen zu deren
Vermeidung dargestellt. Das sich bietende hohe Potential der Meßtechnik zur Analyse von
Verdampfungsvorgängen wird anhand von Untersuchungen typischer BDE-Injektoren in einer HochdruckHochtemperatureinspritzkammer unter motorähnlichen Versuchsrandbedingungen sowie auch am Beispiel
der Studie der erzielbaren Ladungsverteilung in einem optisch zugänglichen BDE-Forschungsmotor im
Homogen- wie auch im Schichtladebetrieb dargestellt. Neben dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis bietet die RamanMeßtechnik bei motorischen Anwendungen zusätzlich den simultanen Zugang zur Erfassung des
Restgasgehaltes. Somit können zwei wichtige Schlüsselgrößen, die den Entflammungs- und
Verbrennungsvorgang sowie die Schadstoffbildung beeinflussen, gemeinsam aufgezeichnet werden. Eine
Kombination dieser Meßdaten mit Ergebnissen der Motorindizierung erlaubt eine detaillierte Untersuchung
des Motorlaufverhaltens. Aufgrund der geringen Signalbeeinflussung durch die Umgebungsbedingungen ist
die Raman-Streuung zudem hervorragend zur In-situ-Validierung anderer optischer Meßverfahren, wie z.B.
der LIF, geeignet. Beide Meßtechniken wurden im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich an einen
Transparentmotor adaptiert. Simultan mit beiden Messtechniken durchgeführte Untersuchungen der
Gemischbildung unter Variation der Motorbetriebspunkte zeigten eine gute Übereinstimmung der Resultate
beider Meßverfahren.
Dipl.-Ing. Wolfgang Ipp
Analyse der Kraftstoffverteilung bei der Benzindirekteinspritzung (BDE) mit laseroptischen
Meßverfahren
Im Rahmen der Arbeit wurden mehrdimensionale, berührungslos arbeitende, laseroptische Meßmethoden
eingesetzt, um die Gemischbildung in einem Transparentmotor mit Benzin-Direkteinspritzung (BDE) qualitativ
und quantitativ zu beschreiben. Die Visualisierung der Tropfenverteilung mit der Mie-Streulichttechnik
unterstreicht die Empfindlichkeit des Kraftstoffsprays bezüglich geringfügiger Variationen der beteiligten
Parameter und damit letztlich die Kraftstoffverteilung zum Zündzeitpunkt.
Schwerpunkt der Arbeit war die Weiterentwicklung der laserinduzierten Fluoreszenztechnik mit dem Ziel der
möglichst guten Interpretierbarkeit des Luftverhältnisses im Brennraum. Besonderer Wert wurde auf die
einfache Einsetzbarkeit der Meßtechnik im Hinblick auf eine breite Akzeptanz für eine industrielle Anwendung
gelegt. Die Vielzahl und wechselnde Zusammensetzung der in handelsüblichem Kraftstoff enthaltenen
Komponenten mit deren spezifischen Fluoreszenz- und Absorptionseigenschaften stehen einer
Signalquantifizierung grundsätzlich entgegen, weshalb ein Ersatzkraftstoff bestehend aus Isooktan, versetzt
mit den Fluoreszenzfarbstoffen Triethylamin und Benzol, verwendet werden mußte. Mit dessen speziellen
Eigenschaften wurde auf Basis der laserinduzierten Fluoreszenz ein Meßtechnikkonzept realisiert, mit dem
die zweidimensionale Verteilung des Luftverhältnisses im gefeuert betriebenen BDE-Motor bestimmt werden
konnte. Neben der prinzipiellen Methodik werden die spezifischen Anforderungen für eine akkurate
Verwendung des gezeigten Konzeptes beschrieben sowie mögliche Einflußfaktoren und Fehlerquellen
ausführlich diskutiert. Die Resultate konnten über die simultane eindimensionale Messung des
Luftverhältnisses mit der linearen Raman-Spektroskopie verglichen werden und zeigen eine gute
Übereinstimmung.
BERICHTE ZUR
BEV
_____________________________________________________
(VII. Tagung)
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung für den Pkw- und Nfz-Bereich bzw.
die Benzindirekteinspritzung behandelt. Attraktive Alternativen werden aufgezeigt, wie z.B. der
variable Ventiltrieb oder der Gasmotor, beide Themengebiete jeweils in einer eigenen Sitzung.
Übergeordnetes Querschnittsthema stellen auch dieses Jahr wieder die motorischen Partikel dar.
Alle
Aspekte
der
aufgezeigten
Problematik,
von
den
Einzelprozessen
der
und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf fast 570 Seiten mit über 460 Abbildungen wird in 46
Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie (BMW Group, DaimlerChrysler AG, Lotus/UK, MAN
Nutzfahrzeuge, Nissan/Japan und Volkswagen), sowie von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen
(AVL List/Graz, BERU, Bosch, Eberspächer, ESYTEC, FEV, META, Siemens VDO Automotive und
Westport Germany bzw. Westport Innovations/Canada) und von einschlägigen privaten und
öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen Chalmers University Göteborg/Schweden, IAV
Gifhorn & Berlin, Laser-Laboratorium Göttingen, RWTH Aachen, TU Darmstadt, TU Dresden, TU
Istanbul/Türkei, TU Graz, TU München, TU Wien, U Bayreuth, U Erlangen, U Hannover, U
Karlsruhe, U Loughborough/UK, U Lund/Schweden und U Rostock.
Erlangen 2005
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Dieter Most
Untersuchung turbulenter Verbrennungsfelder durch simultane Anwendung gefilterter
Rayleigh-Streulicht-Thermometrie (FRS) und Particle Image Velocimetry (PIV)
Eine simultane Erfassung von Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern in Verbrennungsprozessen erlaubt
einen direkten Zugang zu detaillierteren Informationen zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen
Flamme (chemischer Reaktion) und Strömungsfeld. Primäres Ziel der Arbeit ist es daher, die Grundlagen zur
simultanen Messung momentaner Geschwindigkeits- und Temperatur-Felder mittels kombinierter Anwendung
gefilterter Rayleigh-Streulichttechniken (FRS-Thermometrie) und der Particle Image Velocimetry (PIV) zu
erarbeiten. Zum anderen werden erweiterte Auswertungen der damit in turbulenten Flammen erhaltenen
korrelierten Daten durchgeführt.
Die FRS-Thermometrie wurde dazu zunächst optimiert, unter anderem über die Erweiterung der FRSAuswertung um eine Modellierung der Verbreiterung der Rayleigh-Spektren für den Übergangsbereich
zwischen kinetischem und hydrodynamischem Regime. Durch die erfolgten Verbesserungen bei der FRSTechnik wird nun ein simultaner Einsatz mit PIV-Techniken möglich. Derart erhaltene Datensätze erlauben
z.B. die direkte Beobachtung des Einflusses kohärenter Wirbel auf die lokale Flammenfront oder eine direkte
Bestimmung dichtegemittelter turbulenter Flüsse. Die so erzielten Ergebnisse unterstreichen dabei die
Bedeutung einer differenzierten Betrachtung zeitlich fluktuierender Reaktionsorte und Strömungswege bei der
Erforschung komplexer Flammen.
Dipl.-Phys. Frank Beyrau
Entwicklung der Rotations-CARS-Spektroskopie zur
Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse
der
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung des Rotations-CARS-Verfahrens zur
berührungslosen quantitativen Bestimmung von Temperatur und Molekülkonzentrationen in technischen
Einspritz- beziehungsweise Verbrennungsprozessen. Wesentlich für den erfolgreichen Einsatz in motorischen
Umgebungen, das heißt in geschlossenen, zum Teil heterogenen Systemen, ist die Minimierung der dort
auftretenden Störeinflüsse. Insbesondere Interferenzen durch gestreutes Laserlicht und Gasplasmen
beziehungsweise Fensterzerstörungen durch zu hohe Laserleistungen können eine erfolgreiche Messung
verhindern. Dieser Problematik und den dazu entwickelten Lösungen wird deshalb besondere
Aufmerksamkeit gewidmet. Das große Potential der im Laufe dieser Arbeit weiterentwickelten RotationsCARS-Technik wird anhand von Messungen in einem verdampfenden Kraftstoffspray sowie durch
Untersuchungen zur homogenen Kompressionszündung (HCCI) in einem seriennahen Ottomotor
demonstriert.
In Sprays eines Injektors für die Benzindirekteinspritzung wurde erstmalig die auftretende
Verdampfungskühlung mit hoher Genauigkeit vermessen. Diese wichtige Größe war bislang messtechnisch
unzugänglich. Bei den Untersuchungen wurden sowohl der Einspritzdruck als auch die Kraftstofftemperatur
variiert und das Verdampfungsverhalten der Sprays in Kombination mit der Phasen-Doppler-Anemometrie
und dem Mie-Streulichtverfahren bei unterschiedlichen Einspritzbedingungen analysiert.
Zusätzlich zur reinen Temperaturbestimmung bietet die CARS-Spektroskopie die Möglichkeit, simultan die
lokale Sauerstoffkonzentration zu bestimmen. Dies wurde schließlich genutzt, um das HCCI-Brennverfahren
zu untersuchen. Anhand der Messungen konnten die Vermischungsvorgänge von angesaugter Frischluft und
zurückgeführtem Abgas (AGR) während der Ansaug- und Kompressionsphase sowie die Auswirkungen der
veränderten AGR-Rate auf die zeitliche Lage des Verbrennungsschwerpunktes beim HCCI-Betrieb aufgezeigt
werden.
Berichte zur
BEV
Siva Prasad Reddy Muppala, M. Tech.
Modelling of Turbulent Premixed High-Pressure Combustion with Application Towards Gas
Turbine Combustors
(Modellierung turbulenter vorgemischter Hochdruck-Verbrennung für Anwendungen in
Richtung auf Gasturbinen-Brennkammern)
In dieser Arbeit wird die numerische Modellierung turbulenter vorgemischter Verbrennung unter
Berücksichtigung des Druckeinflusses und für unterschiedliche Brennstoffe untersucht. Es werden drei
algebraische Reaktions-Schließungs-Modelle (TFC-Modell, klassisches BML-Model, Modell von Lindstedt
und Váos) mit einem experimentellen Datensatz aus der Literatur verglichen, der mehr als 100 Flammen
zwischen 1 und 30 bar bei drei Brennstoffen (Methan, Ethylen und Propan) und bei variierten
Turbulenzbedingungen umfasst. Es zeigt sich, dass in allen drei Modellen weder Druck-, noch
Brennstoffeinfluss enthalten ist (teilweise partiell). Der Schwerpunkt dieser Arbeit beinhaltet deshalb die
Entwicklung erweiterter Modelle.
Es werden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt. Im ersten wird der Reaktionsterm der
Reaktionsfortschrittsvariablen mit einer algebraischen Beziehung für das Flammen-Faltungsverhältnis AT / A
modelliert, die auf einem Ansatz mit drei Parametern basiert. Dabei wurde eine universelle Gleichung für alle
drei Brennstoffe gefunden, wenn die Lewiszahl des Brennstoff/Luft-Gemisches eingefügt wird. Der zweite
Ansatz basiert auf dem Lindstedt-Váos (LV)-Modell, das für den Einfluss sowohl des Druckes als auch des
Brennstofftypes erweitert wurde.
Beide neuen Modelle wurden an zusätzlichen experimentellen Daten getestet. Das MD-Modell wurde zudem
erstmalig auch im Rahmen von LES-Berechnungen getestet, wobei vielversprechende erste Ergebnisse
erzielt wurden.
Ali Bani Kananeh, M. Sc.
Experimental Study of Dropwise Condensation on Ion Implanted Horizontal Single Tubes and
Tube Bundles
(Experimentelle Untersuchung der Tropfenkondensation an durch Ionenimplantation
modifizierten horizontalen Einzelrohren und Rohrbündeln)
In der vorliegenden Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit der Tropfenkondensation (TK) von gesättigtem
Wasserdampf an horizontalen Einzelrohren und Rohrbündeln im Vergleich zur Filmkondensation (FK)
untersucht. Die Einstellung von TK erfolgte durch Reduktion der Oberflächenenergie des Rohrmaterials
mittels Plasma-Ionenimplantation (PII) mit Stickstoffionen, einer Implantationsenergie von 20 keV und
lonendosen von bis zu 1016 N·cm-2, wodurch eine unvollständige Benetzbarkeit der Oberfläche erzielt werden
konnte. Um die Zuverlässigkeit der Plasma-Ionenimplantation als Methode zur Einstellung von TK in der
technischen Anwendung nachweisen zu können, wurde ein Rohrbündelkondensator aufgebaut, in welchem
die TK an horizontalen Einzelrohren und Rohrbündeln untersucht werden kann. Der Kondensator wurde für
kleine Rohrbündel aus bis zu 9 horizontalen Einzelrohren mit einer Länge von 0,5 m und einem
Außendurchmesser von 0,02 m ausgelegt.
An Edelstahlrohren, die mit Ionendosen von 1015 und 1016 N·cm-2 modifiziert wurden, konnte stabile TK erzielt
werden. In experimentellen Untersuchungen wurden Wärmeströme und Wärmeübertragungskoeffizienten
bestimmt, wobei letztere mit den theoretischen Werten für FK nach der Nußeltschen Filmtheorie verglichen
wurden. An den mit 1016 N·cm-2 implantierten Rohren wurden Wärmeübertragungskoeffizienten gefunden, die
um einen Faktor von bis zu 3,7 größer als die nach der Nußeltschen Theorie berechneten Werte waren.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Ingo Schmitz
Untersuchungen zum Einfluss von Druck und Temperatur auf die Spraycharakteristik bei der
Benzindirekteinspritzung
Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene laseroptische Meßmethoden zur qualitativen und quantitativen
Charakterisierung der Sprayzerstäubung eines Drallinjektors und eines Mehrlochventils für die
Benzindirekteinspritzung eingesetzt. Das Ziel der Sprayzerstäubung in Verbrennungsprozessen liegt in der
Erzeugung einer hohen Anzahl an kleinen Tropfen, was zu einer beschleunigten Verdampfung führt. Dieses
bildet die Grundlage für eine gute Gemischbildung und eine schadstoffarme Verbrennung. Anhand einiger
ausgewählter Betriebspunkte wird mittels der Mie-Streulichttechnik die Sprayausbreitung eines Drallinjektors
unter Veränderung von Kammer- und Kraftstoffdruck vorgestellt und diskutiert. Hierbei kann beobachtet
werden, dass eine Variation des Kammerdruckes die Sprayform merklich beeinflusst, während eine
Kraftstoffdruckerhöhung die Zerstäubungsgüte verbessert. Die Untersuchungen zum Einfluss der Kammerund Kraftstofftemperatur auf den Sprayzerfall und die Verdampfung erfolgen mit der laserinduzierten
Exciplex-Fluoreszenztechnik (LIEF) unter Verwendung verschiedener Ersatzkraftstoffe mit unterschiedlichem
Siedeverhalten. Dabei ist zu beobachten, dass die Kammertemperatur keinen wesentlichen Einfluss auf das
Spray während des Einspritzungsprozesses ausübt. Demgegenüber führt eine Erhöhung der
Kraftstofftemperatur bei einem Absolutdruck von 0,5 bar zu einer signifikanten Änderung in der Spraystruktur.
Beim Überschreiten der Siedetemperatur des verwendeten Kraftstoffes unterliegt das Spray dem FlashBoiling-Effekt, bei dem die Spraystruktur kollabiert. Beide verwendeten Injektortypen zeigen trotz ihres
unterschiedlichen Funktionsprinzips ein vergleichbares Sprayausbreitungsverhalten, welches sich in einem
kompakten Spray mit sehr feinen Tröpfchen äußert. Der Einfluss der Kraftstofftemperatur auf die
Tropfengrößen und deren Verteilungen wird am Spray des Mehrlochventils anhand von PDA-Messungen
verifiziert.
Ahmad Hasan Sakhrieh, M. Sc.
Reduction of pollutant emissions from high pressure flames using an electric field
(Reduktion der Schadstoffemissionen von Hochdruckflammen mittels eines elektrischen
Feldes)
Zahlreiche Untersuchungen haben bisher das Potential eines elektrischen Feldes zur Stabilisierung von
Flammen sowie zur Reduzierung von Abgasemissionen mit vergleichsweise geringem Aufwand aufgezeigt.
Jedoch sind diese Studien auf atmosphärische Bedingungen hinsichtlich Druck und Raumtemperatur
beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss elektrischer Felder auf turbulente Vormischflammen
unter 1,2-10 Druck bar bei variierten Lufteinlasstemperaturen untersucht. Dabei wurden elektrische Felder
mit unterschiedlicher Stärke und Richtung verwendet. Die Konzentrationen von CO, NO, NO2 und UHC
wurden im Abgas gemessen. Die Experimente haben gezeigt, dass der Einfluss elektrische Felder für erhöhte
Drücke unbegrenzt auch über 10 bar hinaus effektiv ist. Die CO Konzentration konnte um 95% unabhängig
von Druck reduziert werden. Zudem zeigte sich, dass der Einfluss elektrischer Felder bei erhöhten
Lufteinlasstemperaturen durch die vermehrte Erzeugung positiver Ionen nicht abnimmt, sondern sogar
zunimmt.
Der Einfluss elektrischer Felder auf Flammen wurde anhand der Variation von Elektrodendurchmesser und
Elektrodenabstand untersucht. Im Allgemeinen bewirkt eine Veränderung des Elektrodendurchmessers eine
größere Änderung als eine Variation des Elektrodenabstandes. Die experimentellen Untersuchungen des
Einflusses elektrischer Felder auf die NOX Emissionen haben gezeigt, dass sich die Löschgrenze unter
Einfluss des elektrischen Feldes verschiebt. Die Korrelation zwischen dem Anstieg der Löschgrenze und der
Elektrodenspannung stellte sich als exponentiell statt nur linear heraus. Bei Anlegen eines elektrischen
Feldes bei 4 bar ergab sich eine Erhöhung der mageren Verlöschgrenze um 8% bei Raumtemperatur und um
5% bei einer Vorheiztemperature von 200 ºC. Üblicherweise führt ein zunehmenden Lüftüberschuss bei
Vormischflammen zu einem Anstieg der CO-Emissionen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes konnte
gezeigt werden, dass die Emissionen grundsätzlich unterhalb des Startwertes ohne Einsatz des elektrischen
Feldes reduziert werden können. Dadurch ergab sich eine kombinierte Reduktion von sowohl NOX als auch
CO um 40% bzw. 60% bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes. Die benötige elektrische Leistung zur CO
Reduktion um mehr als 90% ist extrem klein und beträgt immer unter 0,02% der thermischen Leistung des
Brenners.
BERICHTE ZUR
BEV
______________________________________________________
(VIII. Tagung)
Automobilhersteller und ihre Zulieferer nach wie vor in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren. Die
direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl für die dieselmotorische als auch für die
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung und dem HCCI-Brennverfahren
bzw. die Benzindirekteinspritzung und variable Ventilsteuerung behandelt. Alternativen und
innovative Konzepte werden aufgezeigt, wie z. B. die kontrollierte Selbstzündung oder der
Gasmotor, aber auch Kraftstofffragen behandelt, die beiden letztgenannten Themengebiete und die
Abgasnachbehandlung jeweils in einer eigenen Sitzung.
Alle
Aspekte
der
aufgezeigten
Problematik,
von
den
Einzelprozessen
der
und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf fast 560 Seiten mit über 420 Abbildungen wird in 46
Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie AUDI, BMW Goup, Daimler Chrysler, Lotus / UK,
MAN Diesel SE, Renault und Volkswagen, den Zulieferer- und Messtechnikfirmen AVL List / Graz,
Bosch, ESYTEC, EVT, FEV, FKFS, LaVision, META und Siemens VDO Automotive sowie aus
einschlägig
aktiven
privaten
und
öffentlichen
Messtechnik-,
Forschungsund
Entwicklungseinrichtungen neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten
Einrichtungen zählen Chalmers University Göteborg / Schweden, IAV Gifhorn & Berlin, Instituto
Motori Neapel / Italien, Inst. Petroleum Processing Krakau / Polen, Laser-Laboratorium Göttingen,
Öl- Wärme-Institut Aachen, Polytechnico Milano / Italien, RWTH Aachen, TU Cottbus, TU
Darmstadt, TU Dresden, TU Graz, TU Istanbul, Türkei, TU Wien, U Bayreuth, U Duisburg-Essen, U
Erlagen, U Karlsruhe, U London / UK, U Loughborough / UK, U BW München, U Rostock und U
Warschau / Polen.
Erlangen 2007
Berichte zur
BEV
Wolfgang-Finkelnburg-Preis 2007
der Technischen Fakultät
Dr.-Ing. Thomas Seeger
Moderne Aspekte der linearen und nichtlinearen Raman-Streuung zur Bestimmung
thermodynamischer Zustandsgrößen in der Gasphase
Zur quantitativen zeit- und ortsaufgelösten Bestimmung von thermodynamischen Zustandsgrößen in der
Gasphase eignen sich eine Reihe unterschiedlicher laserbasierter optischer Meßverfahren. Unter diesen
Meßtechniken sind die lineare und die nichtlineare Raman-Streuung, letztere in Form der kohärenten AntiStokes-Raman-Streuung (CARS), in den letzten 15 Jahren hinsichtlich ihrer Nutzung zur Analyse technisch
relevanter, auch instationärer Prozesse besonders weit entwickelt worden.
In der vorliegenden Arbeit wurde in Verbindung mit einer Vielzahl von eigenen Arbeiten und Experimenten zu
diesem Themenkreis eine systematische und umfassende Zusammenstellung, Analyse und Bewertung der
Einsatzmöglichkeiten der linearen und nichtlinearen Raman-Streuung durchgeführt. So werden
beispielsweise die verschiedenen anwendungsspezifischen Vorgehensweisen und die damit erzielbare
Meßgenauigkeit zur Bestimmung von Temperatur und Spezieskonzentrationen in der Gasphase in
Verbindung mit einer umfassenden Aufbereitung der möglichen Störeinflüsse diskutiert. Zusätzlich werden auf
Basis dieser Erkenntnisse beispielhaft einzelne ausgewählte, aktuell interessante Anwendungen an
modernen und auch technisch relevanten thermodynamischen Prozessen aufgezeigt.
Die vorliegende Arbeit wurde von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als
Habilitationsschrift für das Fachgebiet Technische Thermodynamik angenommen.
Dipl.-Ing. Marco Taschek
Einsatz qualitativer
Transparentmotor
und
quantitativer
optischer
Messverfahren
an
einem
Diesel-
Die vorgestellte Arbeit beschreibt die Entwicklung und den erfolgreichen Einsatz einer Kombination aus nichtinvasiven, zeitlich und räumlich hochauflösenden optischen Messtechniken zur umfassenden
Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung.
Dazu wurden mehrere aufeinander abgestimmte optische Messtechniken gleichzeitig an einem
Transparentmotor eingesetzt, um ein Maximum an Information aus einem Arbeitszyklus zu erhalten. Zu
diesen zählen die Detektion des Flammenleuchtens im UV-Spektralbereich und die Aufnahme thermisch
angeregten Rußleuchtens im sichtbaren Wellenlängenbereich, die Mie-Streulichttechnik zur
Charakterisierung der Flüssigphasenverteilung und die laserinduzierte Inkandeszenz zur Erfassung der
zweidimensionalen Rußverteilung im Brennraum. Darüber hinaus wurde die lineare Raman-Spektroskopie
erstmalig zur quantitativen Bestimmung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und dessen Veränderung entlang
einer Linie direkt in der Brennraummulde eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung verwendet. Neben den
optischen Messtechniken erfolgte natürlich eine konventionelle Indizierung des Motors.
Das Potential der applizierten Messtechniken wird erst durch die Kombination der gewonnenen Messdaten
deutlich, die den Einfluss motorischer Parameter, wie Ladungsbewegung, Einspritzstrategie oder der
Spritzlochgeometrie der Einspritzdüsen auf die Gemischbildung, die Zündung, die Verbrennung und die
Rußbildung sowie deren Wechselwirkung veranschaulichen. Damit trägt diese Arbeit neben der
Verbesserung der Messtechnik ihren Teil zum besseren Verständnis der dieselmotorischen Verbrennung bei.
Berichte zur
Dipl.-Ing. Andreas Bräuer
BEV
der Technischen Fakultät
Experimentelle Gemischbildungsanalyse im überkritischen Antisolvent-Verfahren
Bei der Herstellung feinster Partikel mit möglichst einheitlicher Korngrößenverteilung unter Verwendung des
überkritischen Antisolvent (SAS)-Verfahrens diktiert der Gemischbildungsvorgang aus Solvent und
Antisolvent die Eigenschaften der hergestellten Partikel. Nur wenn es durch eine geeignete Prozessführung
gelingt, Solvent und Antisolvent auf molekularer Ebene homogen zu vermischen, bevor es zur Keimbildung
und zum Partikelwachstum des Wirkstoffs kommt, kann eine homogene Übersättigung in einer möglichst
engen Korngrößenverteilung resultieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene theoretische
Überlegungen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die im SAS-Verfahren ablaufenden
Teilschritte zu beleuchten und deren Kinetik zu entschlüsseln. Hierbei stellt sowohl der Einsatz quantitativer,
zeitlich und lokal auflösender Lasermesstechniken als auch die gepulste Prozessführung unter Verwendung
eines Piezo-Diesel-Injektors ein Novum auf dem Gebiet der überkritischen Fluidtechnologie zur
Partikelherstellung dar. Die im Rahmen dieser Arbeit getätigten Untersuchungen tragen sowohl im Bereich
der zweiphasigen als auch der einphasigen Vermischung einen umfassenden Beitrag zum
Gemischbildungsverständnis des SAS-Verfahrens bei.
Dipl.-Ing. Thomas Blotevogel
Untersuchung der Gemischbildung und Verbrennung bei Wasserstoffmotoren mit Hilfe
optischer Messtechniken
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Applikation der planaren laserinduzierten TracerFluoreszenz-Technik zur qualitativen und quantitativen zweidimensionalen Untersuchung der Einblase- und
Gemischbildungsprozesse bei einem Wasserstoffmotor und weiterhin den kombinativen, simultanen Einsatz
von laserinduzierter Tracer-Fluoreszenz und Flammeneigenleuchten zur Untersuchung der Zusammenhänge
zwischen Gemischbildung und Verbrennung und zur Gewinnung vertiefter Einblicke in die Wirkkette der
wasserstoffmotorischen Verbrennung. Das Konzept zur Quantifizierung der LIF-Rohdaten wird erläutert und
das Verfahren durch eine direkte Messung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses mit Hilfe der linearen RamanStreuung verifiziert. Für den Einsatz am Motor mit äußerer und innerer Gemischbildung war es erforderlich,
Gasversorgungssysteme zu entwickeln und aufzubauen, die die homogene Mischung von Gas und Tracer
sicherstellen und die Gaseinblaseventile mit dem gewünschten Gasdruck und dem entsprechenden
Volumenstrom versorgen können. Das in dieser Arbeit beschriebene LIF-Meßverfahren ist am
Wasserstoffmotor erfolgreich eingesetzt worden. Beispielhaft wurde der Einfluß verschiedener Parameter
(z.B. Einblasezeitpunkt und –druck) auf den Gemischbildungsprozeß untersucht. Durch die simultane,
zyklusaufgelöste Gemischbildungs- und Verbrennungsuntersuchung konnte ein Zusammenhang zwischen
der Gemischverteilung, d.h. dem lokalen Kraftstoff/Luft-Verhältnis zum Zündzeitpunkt, und der Verbrennung,
gekennzeichnet durch Zylinderdruckverlauf und Flammenausbreitung, aufgezeigt werden.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Roland Sommer
Einsatz der laserinduzierten Glühtechnik (LII) zur Charakterisierung nanoskaliger Partikel
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Einsatzspektrum der zeitaufgelösten laserinduzierten
Glühtechnik (time-resolved laser-induced incandescence, TIRE-LII) in verschiedenen Anwendungsgebieten
systematisch untersucht. Dazu war neben einer Weiterentwicklung des theoretischen LII-Modells für
verschiedene Stoffsysteme vor allem die experimentelle Entwicklung der Messtechnik zur Analyse technisch
und gesellschaftspolitisch bedeutsamer Fragestellungen interessant. Das Grundprinzip der laserinduzierten
Glühtechnik ist das Aufheizen von nanoskaligen Teilchen mittels eines hochenergetischen Laserpulses und
die anschließende Analyse des spektral und zeitlich aufgelösten Wärmestrahlungsverhaltens, wodurch
sowohl die Massenkonzentration als auch die Primärpartikelgröße bestimmt werden kann.
Die Entwicklung eines Online-Sensors zur selektiven Rußcharakterisierung in motorischem Abgas und zur
Bewertung von Feinstaubimmissionen war eine der Herausforderungen. Damit war es beispielsweise
erstmalig möglich, den Einfluss einzelner Fahrzeuge im Straßenverkehr und deren Anteil am
Gesamtfeinstaubgehalt aufzuzeigen. Außerdem konnte durch den Einsatz des Sensors direkt im motorischen
Rohabgas Rückschlüsse auf Abbaumechanismen von Abgasnachbehandlungssystemen und deren
Regenerationsstrategien gezogen werden.
Um den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter bei der technischen Nanopartikelsynthese auf die
Bildungs- und Wachstumskinetik besser verstehen und kontrollieren zu können, ist es notwendig, neben
anderen Produkteigenschaften vor allem die Primärpartikelgröße des jeweiligen Stoffsystems online und in
situ zu bestimmen. In diesem Zusammenhang wurde die Messtechnik zur Charakterisierung von Metalloxiden
und auf Substrat abgeschiedenem Eisen erfolgreich eingesetzt. Eine erstmalige theoretische Modellierung
des LII-Prozesses des letztgenannten Stoffsystems zeigte für realistische Randbedingungen eine gute
Übereinstimmung mit TEM-Daten. Darüber hinaus konnte das Potential von LII zum Einsatz in verschiedenen
Carbon-Black-Suspensionen aufgezeigt werden. In diesem Rahmen wurde unter anderem der Einfluss
unterschiedlicher Lösemittel auf die LII-Signalcharakteristik untersucht.
Dipl.-Ing. Sebastian Pfadler
Entwicklung und Einsatz der konditionierten Particle Image
Charakterisierung und Modellvalidierung turbulenter Vormischflammen
Velocimetry
zur
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung der konditionierten Particle Image
Velocimetry (CPIV) zur simultanen, quantitativ bildgebenden Charakterisierung des Strömungs- und
Reaktionsfeldes im Edukt- und Abgasbereich turbulenter Vormischflammen. Das Messprinzip erlaubt sowohl
die Untersuchung grundlegender Wechselwirkungen zwischen turbulenten Strömungsfeldern und der
Verbrennungsreaktion, als auch die Validierung von Modellierungsansätzen, die bei der numerischen
Simulation zur Schließung von nicht auflösbaren Termen eingesetzt werden. Anhand unterschiedlicher
Brennergeometrien werden die bei der RANS- und der Grobstruktursimulation auftretenden Größen
untersucht und mit gängigen Modellierungsansätzen verglichen.
Berichte zur
Dipl.-Ing. Johannes Kiefer
Staedtler – Promotionspreis 2008
und
WLT Award 2009 der
Wissenschaftlichen Gesellschaft für Lasertechnik e.V. (WLT)
BEV
Nichtlineare optische Spektroskopie zur Diagnostik von Verbrennungsvorgängen
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung nichtlinearer optischer
Spektroskopieverfahren im Bereich der Verbrennungstechnik. Dabei werden drei spezielle Messtechniken
behandelt, nämlich die kohärente anti-Stokes Raman-Streuung (CARS), die laser-induzierte Gitter-Technik
(LIG) und die Laser-Polarisations-Spektroskopie (PS).
Die CARS-Spektroskopie in Form des Dual-Broadband-Rotations-CARS-Verfahrens wurde erstmalig mit der
linearen Raman-Spektroskopie kombiniert. Dies ermöglichte die simultane Bestimmung der
Gasphasentemperatur und der Konzentrationen aller Hauptspezies. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die
Brennstoffpyrolyse in einer teilvorgemischten Ethen-Luft-Flamme, sowie die Gemischbildung bei der
Einspritzung von Flüssigpropan zu untersuchen. Dabei konnte erstmals die Verdampfungskühlung in einem
Flüssiggasspray mit hoher Tropfendichte bestimmt werden.
Die LIG-Technik wurde eingesetzt, um den Gemischbildungsprozess bei der Einblasung von Propangas in
Luft zu untersuchen. Dabei wurde lokal der zeitliche Verlauf der Luftzahl bestimmt. Für die Auswertung der
LIG-Signalverläufe wurden verschiedene Methoden entwickelt, die eine aufwendige Berechnung theoretischer
Signalverläufe überflüssig machen. Dazu wurden Signalparameter wie die Oszillationsperiodendauer, die
absolute Signalintensität und das Verhältnis von elektrostriktiven und thermischen Signalbeiträgen genutzt.
Die entwickelten Auswerteverfahren ermöglichten erstmalig die Nutzung der LIG-Technik im Einzelpulsbetrieb
in einem weiten Parameterbereich.
Die PS-Technik wurde zur Detektion von CH im ultravioletten und C2H2 im infraroten Spektralbereich
weiterentwickelt. Dabei wurden molekularphysikalische Effekte wie Linienverbreiterung, Sättigung und
Quenching näher untersucht. Im Fall von CH wurde die Dopplerverbreiterung unterdrückt und durch Nutzung
eines Einmoden-Alexandritlasers hochaufgelöste Spektroskopie betrieben. Zusätzlich wurden simultane
Messungen mit laser-induzierter Fluoreszenz durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Am Beispiel des
OH-Radikals wurde schließlich noch die Anwendbarkeit der PS-Technik zur Bestimmung der OH-Verteilung
und der Temperatur in einer teilvorgemischten Methan/Luft-Flamme demonstriert. Die Ergebnisse zeigten die
typische Struktur zweier Flammenfronten, wobei sich die OH-Temperatur nur wenig ändert, die OHKonzentration in der stöchiometrischen Zone ein intensives absolutes Maximum besitzt und in der inneren
Reaktionszone nur in geringem Maße vorhanden ist.
Dipl.-Ing. Anna Malarski
Promotionspreis 2010 zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses
verliehen durch die Frauenbeautragte der
Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg
Zweidimensionale Tropfengrößenbestimmung in Sprays mittels Laser-Raman-Streuung und
Laser-Mie-Streuung
Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines neuen laseroptischen
Messverfahrens zur bildgebenden Bestimmung von Tropfengrößen in Flüssigkeitssprays. Der derzeitige
Stand der Technik der zweidimensionalen Tropfengrößenmessverfahren, die überwiegend zur
Spraycharakterisierung eingesetzt werden, beruht auf dem simultanen Einsatz von laserinduzierter
Fluoreszenz und Mie-Streuung. Die Quantifizierung der Tropfengröße weist mit dieser Methode einige
Unsicherheiten aufgrund der besonderen Eigenschaften der Fluoreszenz auf. Daher wird diese hier durch die
Raman-Streuung ersetzt. Die Grundlagen der hier eingesetzten optischen Messverfahren Raman-Streuung
und Mie-Streuung werden mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen ausführlich behandelt und im Hinblick
auf ihre Einsetzbarkeit begutachtet. Für den Einsatz zur Tropfengrößenmessung in Sprays sind umfangreiche
Vorarbeiten wie z. B. die Entwicklung einer Kalibrierstrategie notwendig. Es werden zwei Kalibrierverfahren
vorgestellt, das eine beruht auf der Vermessung von Tropfen bekannter Größe, das andere nutzt den
Vergleich der Messdaten mit Messungen aus der Phasen-Doppler-Anemometrie an einigen Punkten im
eigentlichen Messobjekt.
Die Anwendung der Messtechnik in einem Spray, das von einem Injektor für die Benzindirekteinspritzung
erzeugt wird, und der Vergleich mit Messdaten, die mit der Phasen-Doppler-Anemometrie erfasst wurden,
zeigen die Anwendbarkeit des neu entwickelten Messverfahrens. Abschließend werden eine Einschätzung
der Anwendungsbereiche gegeben und die weiteren Entwicklungsschritte aufgezeigt.
BERICHTE ZUR
BEV
______________________________________________________
(IX. Tagung)
Automobilhersteller und ihre Zulieferer nach wie vor in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren. Die
direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl für die dieselmotorische als auch für die
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung und dem HCCI-Brennverfahren
bzw. die Benzindirekteinspritzung und variable Ventilsteuerung behandelt. Alternativen und
innovative Konzepte werden aufgezeigt, wie z. B. die kontrollierte Selbstzündung oder der
Gasmotor, aber auch Kraftstofffragen behandelt, die beiden letztgenannten Themengebiete jeweils
in einer eigenen Sitzung. Eine eigene Sitzung ist auch der Einspritzung gewidmet, die eine
vorrangige Rolle für den gesamten Verbrennungsprozess spielt.
Alle
Aspekte
der
aufgezeigten
Problematik,
von
den
Einzelprozessen
der
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zu speziellen Fragestellungen werden in diesem
Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten Vertretern
aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf fast 550 Seiten mit über 450 Abbildungen wird in 44 Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie BMW Goup, Daimler,
GM R&D/USA, GM Rowertrain, MAN Diesel SE und Volkswagen, den Zulieferer- und
Messtechnikfirmen BASF SE, Bosch, Continental, ESYTEC, FEV, LaVision, L’Orange und META
sowie aus einschlägig aktiven privaten und öffentlichen Messtechnik-, Forschungs- und
Einrichtungen zählen Argonne Nat. Labs/USA, City U. London/UK, IAV Chemnitz, Imperial College
London/UK, Instituto Motori Neapel/Italien, Inst. Petroleum Processing Krakau/Polen, Institute
Technologistics/Japan, Laser-Laboratorium Göttingen, LEC Graz, Michigan Techn. University/USA,
Petrobas/Brasilien, Russ. Akad. Wiss. Moskau/Russland, RWTH Aachen, Sandia Nat. Labs./USA,
TU Cottbus, TU Darmstadt, TU Dresden, TU Graz, TU München, TU Wien, U Bayreuth, U DuisburgEssen, U Erlangen, U Karlsruhe, U Michigan/USA, U Rostock, Wayne State U./USA und
Westsächsische HS Zwickau.
Erlangen 2009
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Markus Christian Weikl
Entwicklung der Dual-Pump-CARS-Spektroskopie zur Untersuchung messtechnisch
komplexer Verbrennungssysteme
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung der Dual-Pump (DP)-CARSSpektroskopie im Bereich der Verbrennungstechnik. Das Ziel war es hierbei, ein Mess-system für die
Applikation unter besonderen Anwendungsbedingungen, insbesondere bei mess-technisch komplexen
Verbrennungssystemen, bereitzustellen und zu testen. Die Messung der Temperatur in einer laminaren
Diffusionsflamme wurde durch die Anwendung der DP-CARS-Technik in Verbindung mit der erstmalig bei
DP-CARS eingesetzten Unterdrückung des nicht-resonanten Untergrundes experimentell umgesetzt. So
konnte die Beeinflussung des Signals durch Absorption und Emission von C2-Radialen sowie durch einen
erhöhten nichtresonanten Untergrund deutlich reduziert und genaue Messungen der Temperatur auch in
stark rußenden Bereichen durchgeführt werden. Durch eine Kombination der DP-CARS-Methode mit
Rotations-CARS wurde ein Messaufbau vorgestellt, der die Möglichkeit bietet, simultan zur Temperatur die
Relativkonzentrationen verschiedener Moleküle durch Detektion der Vibrationsübergänge von N2, H2 und CO
sowie die Rotationsübergänge von N2, O2, CO und CO2 mit nur einem Detektions-system zu messen.
Dieses Lasersystem wurde schließlich zur Untersuchung der Verbrennung in porösen Medien eingesetzt,
welche durch die schwierige optische Zugänglichkeit aufgrund der Stabilisierung der Verbrennung in einer
Feststoffmatrix als besondere messtechnische Heraus-forderung gilt. Die Untersuchung der Verbrennung im
Porenbrenner erfolgte unter Variationen von thermischer Leistung und Stöchiometrie und zeigte einen großen
Einfluss auf die erreichte Maximaltemperatur, die sich durch das komplexe Zusammenspiel von
Wärmeleitungs- und Strahlungsanteil sowie der Strömung im Inneren der porösen Matrix ergibt. Die
vorliegenden Untersuchungsergebnisse eröffnen erstmalig die Chance, die vorhandenen Ansätze in der numerischen Simulation der Reaktion innerhalb der porösen Medien detailliert mit Messdaten zu vergleichen
und dadurch verbesserte Modelle zu entwickeln.
Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
Dynamic Light Scattering (DLS) fort he Characterization of Working Fluids in Chemical and
Energy Engineering
The present habilitation thesis summarizes and reviews the research activities performed at the Department
of Engineering Thermodynamics (LTT) of the University of Erlangen-Nuremberg during the past two decades
on the field of thermophysical property research by dynamic light scattering (DLS) for the characterization of
working fluids in chemical and energy engineering. These activities have been carried out as a continuation of
the work performed at the Ruhr-University of Bochum (RUB), where Prof. Leipertz was active in this field for
more than ten years before he founded the LTT-Erlangen in 1989. Besides own research activities which are
documented and provided in detail through the contributions published as papers in several international
scientific journals, also previous theoretical and experimental work done by different research groups
accepted worldwide is reviewed. At first an introduction is given pointing out the importance of the
thermophysical properties of fluids for technical applications as well as the motivation for their characterization
by DLS. It deals with DLS from the bulk of fluids and with the application of this method to phase boundaries,
also called surface light scattering (SLS). In the second and third section of this habilitation thesis, the
methodological principles of DLS and its experimental realization for a reliable determination of
thermophysical properties of fluids are presented. In the fourth section, measurement examples are presented
for the variety of thermophysical properties accessible both by DLS from the bulk of fluids and by SLS, i.e.,
thermal and/or mutual diffusivity, dynamic viscosity, speed of sound, and sound attenuation and dynamic or
kinematic viscosity, surface tension, and interfacial tension, respectively. Here, also limitations of the method
regarding the thermodynamic state and the accuracy will be discussed in detail. Finally, a compilation of
thermophysical property data obtained until now at LTT-Erlangen for specific working fluids in chemical and
energy engineering is given.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Marcus Schmid
Untersuchung des Gemischbildungs- und Verbrennungsverhaltens eines DI-Dieselmotors
unter teilhomogenen Bedingungen
Bei der Optimierung bestehender bzw. der Entwicklung neuer motorischer Brennverfahren zur Einhaltung
zukünftiger Abgasemissionsgrenzwerte ist eine Analyse der aus rein konventioneller Prüfstandsmesstechnik
erhaltenen Daten nicht mehr ausreichend und zielführend. Vielmehr ist hier ein deutlich besseres Verständnis
für die komplexen innermotorischen Prozesse notwendig, welches, z.B. durch den Einsatz moderner
optischer Messtechnik, erarbeitet werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Konzept einer optischen Simultanmesstechnik systematisch
ergänzt, um eine lückenlose Analyse der motorischen Wirkkette Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung,
Zündung und Verbrennung zu ermöglichen. Hierzu wurden vier unterschiedliche Messmethoden kombinativ
an einem optisch zugänglichen DI-Dieselmotor appliziert. Zum Einsatz kamen dabei die Mie-Streulichttechnik,
die laserinduzierte Fluoreszenz, sowie die Detektion des Flammeneigenleuchtens im ultravioletten und
sichtbaren Spektralbereich.
Die Funktionalität und das Potential dieser Simultanmesstechnik wurden anschließend anhand einer
Parameterstudie überprüft. Der Versuchsträger wurde dabei aber nicht im konventionellen DI-Dieselmodus,
sondern teilhomogen betrieben. Die Auswahl der Parametervariationen erfolgte auf Basis einer ausführlichen
Diskussion zu den Einflussgrößen der homogenen Dieselverbrennung, zum Einfluss des Einspritztimings, der
Düsengeometrie, der Kraftstoffart, des Ladedrucks, der Ladelufttemperatur und der AGR-Rate.
Dipl.-Ing. Michael Rausch
WATT- Promotionspreis 2010 des
Wissenschaftlichen Arbeitskreises für Technische Thermodynamik (WATT e.V.)
und
Staedtler-Preis 2010
Grundlegende Untersuchungen zur Ursache von Tropfenkondensation an durch
Ionenimplantation modifizierten Metalloberflächen
Die Ursache der sich durch einen im Vergleich zur Filmkondensation deutlich intensivierten Wärmeübergang
auszeichnenden Tropfenkondensation von Wasserdampf an ionenimplantierten Oberflächen wurde in der
Literatur überwiegend auf eine Reduzierung der Oberflächenenergie des Metalls zurückgeführt. In dieser
Arbeit konnte jedoch auf Basis von Kondensationsexperimenten und Oberflächenanalysen gezeigt werden,
dass chemisch inhomogene und sich durch topografische Nanostrukturen auszeichnende Oberflächen mit
der Einstellung von Tropfenkondensation im Zusammenhang stehen. Die Entstehung dieser die
Kondensationsform beeinflussenden Oberflächencharakteristika ist auf partikelartige Ausscheidungen
zurückzuführen, die an ionenimplantierten Oberflächen gebildet werden. Ähnliche Oberflächeneigenschaften
entwickeln sich an unbehandeltem, nichtrostendem Edelstahl spontan während des Kondensationsprozesses
durch Oxidations- und Abtragungseffekte, was ebenfalls zur Einstellung von Tropfenkondensation führt. Im
Rahmen der Untersuchungen wurde erstmals über mehrere Monate hinweg stabile Tropfenkondensation
mittels Ionenimplantation an der Aluminiumlegierung Al 6951 und Titan erzielt.
Eine mögliche Erklärung für die beobachteten Kondensationsphänomene an chemisch inhomogenen,
strukturierten Oberflächen liefert eine neu entwickelte Modellvorstellung zum stattfindenden Kondensationsmechanismus. Diese beruht auf einer bevorzugten Kondensation an topografisch erhöhten Keimstellen,
wobei die sehr schnell ablaufende Vereinigung von benachbarten, anwachsenden Kondensattröpfchen einen
Übergangszustand mit sich in Senken befindenden Dampfeinschlüssen bewirkt. Hieraus resultiert gemäß
dem Benetzungsmodell von Johnson und Dettre eine deutliche Erhöhung des makroskopischen
Kontaktwinkels, womit die Aufrechterhaltung von Tropfenkondensation zu erklären ist.
Wärmetechnische Untersuchungen bei Tropfenkondensation an verchromtem Kupfer ergaben eine um bis zu
7,6-fache Erhöhung des kondensatseitigen Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zur
Filmkondensation. Die Ionenimplantation und ihre Parameter blieben im untersuchten Bereich an
verchromtem Kupfer, nichtrostendem Edelstahl und Titan ohne signifikanten Einfluss auf den
Wärmeübergang.
Berichte zur
BEV
Prof. Dr.-Ing. A. Leipertz
Indo German Seminar on Future Mobility
The Indo-German Seminar on Future Mobility was jointly organized by the Indian Institute of Petroleum (IIP) and the
University Erlangen-Nuremberg (Prof. Dr. A. Leipertz). This proceedings volume contains the German contributions which
formed the main body of the seminar.
IIP in Dehradun is a constituent laboratory of the Council of Scientific & Industrial Research (CSIR), Government of India,
and is celebrating fifty years of its foundation in 2009-10. The Golden Jubilee Celebration includes the organization of a
series of symposia and workshops have been planned on the subjects related to petroleum processing technologies and
also on renewable and alternate sources of energy. The Indo-German Seminar on Future Mobility is focused on the latest
cutting edge technology in I.C. Engine and contains invited German presentations on the areas:
•
•
•
•
Future Diesel & Gasoline Engine Technologies including Exhaust Gas Aftertreatment
Alternative Powertrain Systems, e.g., HCCI and Hybrid Vehicles
Alternative Fuel Vehicles, e.g. CNG, LPG, Hydrogen, DME, & Biofuels
Alternative Energy Vehicles, e.g., Electric Vehicles
The presentations have been given by well-known technical experts from Germany and India, from Germany in alphabetic
order by Prof. Dr.-Ing. Thomas Blotevogel, Department of Mechanical Engineering, University of Applied Science,
Würzburg-Schweinfurt, Dr.-Ing. Stefan Kampmann, Executive Vice President, Automotive Electronics, Robert Bosch
GmbH, Reutlingen, Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz, Head of the Institute of Engineering Thermodynamics (LTT), Director of
Department of Chemical and Bioengineering and Director of Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies
(SAOT), Friedrich-Alexander University, Erlangen-Nuremberg, Prof. Dr.-Ing. Nadejda Popovoska, Head of the Division
CVD-Processes at the Institute of Chemical reaction Engineering, Friedrich-Alexander University, Erlangen-Nuremberg,
Dr.-Ing. Friedrich Rabenstein, Section Head, BMW Group, Munich, Prof. Dr.-Ing. Heiner Ryssel, Professor Emeritus,
Institute of Electron Devices, Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, and Director Emeritus, Fraunhofer
Institute for Integrated Systems and Device Technology, Erlangen, Dr. A. Velji, Manager, and Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher,
Head of Institute of Reciprocating Engines, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe & Prof. Dr.-Ing. Michael Wensing,
Deputy Head of Institute of Engineering Thermodynamics (LTT), Friedrich-Alexander University, Erlangen-Nuremberg
Dipl.-Ing. Manfred Lenz
Experimentelle Untersuchung
Direkteinspritzung
von
Mehrlochinjektoren
in
einem
Ottomotor
mit
In dieser Arbeit werden Mehrlochinjektoren in einem schichtfähigen und in einem rein homogenen Brennverfahren zur
Verbesserung der Performance eines direkteinspritzenden Ottomotors bestimmt. Das Spray und die Gemischbildung wird im
Vergleich zum Drallinjektor mit verschiedenen Versuchsträgern und Messverfahren analysiert und den Ergebnissen aus den
Vollmotoruntersuchungen zugeordnet.
Im schichtfähigen Brennverfahren werden die Parameter Lochanzahl, Kegelwinkel und Sprayneigungswinkel einzeln
untersucht und ein vielversprechender Mehrlochinjektor bestimmt. Im Schichtbetrieb zeigt dieser Injektor eine verbesserte
Performance gegenüber dem Drallinjektor im Bereich hoher Drehzahlen und Lasten, die eine stabile Erweiterung des
Schichtkennfeldes erlaubt. Im Leerlauf kann die Performance des Drallinjektors nicht übertroffen werden. Die Variation der
Geometrie der Kraftstoffmulde verdeutlicht den Einfluss der Brennraumform auf die Erschließung des Potenzials der
Injektoren. Im homogenen Teillast- und Volllastbetrieb zeigen beide Injektoren eine ähnliche Performance.
Im rein homogenen Brennverfahren wird der Kraftstoff durch unterschiedliche räumliche Orientierung der einzelnen
Kraftstoffkegel der Mehrlochinjektoren weiträumig in den Brennraum eingespritzt. Injektorvarianten, die gezielt die
Einlassventile mit Kraftstoff anspritzen, treffen auch die Zündkerze, erzeugen hohe Rußemissionen und sind nicht
zielführend. Mit einer breiten großflächigen Kraftstoffverteilung in die Mitte des Brennraumes und einer gleichzeitig lokalen
Anreicherung von Kraftstoff in der Nähe der Zündkerze kann die Performance gegenüber dem Drallinjektor deutlich
gesteigert werden. Die Vorteile dieser Variante wurden mit unterschiedlichen Einspritzstrategien nachgewiesen.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Peter Koch
Tracer-LIF-Techniken als Werkzeug zur Optimierung moderner direkteinspritzender
Ottomotoren
Der Einsatz von optisch zugänglichen Motoren und die Verwendung laserbasierter Messmethoden sind mittlerweile zu
unerlässlichen Analysewerkzeugen bei der Entwicklung moderner Brennverfahren geworden. Durch die Möglichkeit einer
rückwirkungsfreien Messung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung wird eine detaillierte Untersuchung
physikalischer und chemischer Prozesse innerhalb der Wirkkette der motorischen Verbrennung ermöglicht. Im Rahmen
dieser Arbeit wurden an einem optisch zugänglichen, modernen direkteinspritzenden Ottomotor zwei Varianten der
laserinduzierten Fluoreszenz eingesetzt. Dabei wurde der Einfluss des innermotorischen Strömungsfeldes auf die
Gemischbildung, Restgasverteilung und Ladungstemperatur quantitativ und lokal zweidimensional aufgelöst untersucht.
Ausgehend vom Gemischbildungsprozess bei komplexer, überlagerter Strömung und direkter Kraftstoffeinspritzung
erfolgten separate Untersuchungen u. a. der äußeren Gemischbildung und der beiden Hauptströmungskomponenten Drall
und Tumble der Ansaugluft. Dabei konnte der Einfluss der Bewegungsformen auf den Gemischbildungsprozess
herausgearbeitet und die Ursachen für die jeweilige Gemischaufbereitung identifiziert werden. Darüber hinaus konnte
durch die Untersuchung der Restgas- und Temperaturverteilung die positiven Auswirkungen der komplexen, überlagerten
Strömung aufgezeigt werden.
Dipl.-Ing. Florian Altendorfner
Stabilisierung vorgemischter Flammen mittels elektrischer
Felder sowie deren technische Applikation für Gasturbinenverbrennung
Der Einfluss elektrischer Felder auf Flammen ist grundlegend seit längerem bekannt. Es bestehen aber nach wie vor
Unklarheiten hinsichtlich der zugrunde liegenden Mechanismen. Bekannt ist die Produktion von positiven und negativen
Ladungsträgern durch Chemiionisation, die durch angelegte elektrische Felder beeinflusst werden und so die
Flammeneigenschaften grundlegend verändern können.
In der vorliegenden Arbeit wurden detaillierte Grundlagenexperimente durchgeführt zur Frage, ob der „ionische Wind“ oder
eine Veränderung der Flammenchemie ursächlich sind für die gefundene Veränderung der Flammengeometrie, der
Flammenstabilisierung und der Schadstoffproduktion. Mit vertieften Kenntnissen der ablaufenden Prozesse wurde die
Steuerung von technischen Verbrennungsprozessen mittels elektrischer Felder am Beispiel der Gasturbinenverbrennung
für den Kraftwerksbereich umgesetzt. Dazu kommen neben Untersuchungen zum Eigenleuchten Lasermessmethoden,
wie z.B. die laser-induzierte Fluoreszenz (LIF), die Particle Image Velocimetry (PIV) und teilweise auch die LaserRayleigh-Streuung (LRS) simultan zur Anwendung, um hochauflösend und nicht-invasiv Momentaufnahmen der
instationären Prozesse und Wechselwirkungen zu erhalten. Dazu wurde ein am LTT vorhandener HochdruckbrennerPrüfstand verwendet und für die Applikation elektrischer Felder modifiziert. Zur Überprüfung der technischen
Realisierbarkeit wurden diverse, für den Gasturbinen-Betrieb relevante Parameter, wie z.B. hohe Drücke, Luftvorwärmung,
drallstabilisierte Flammen sowie kapazitive Einkopplung hinsichtlich der Effektivität der elektrischen Feldsteuerung
untersucht, wobei hier die konventionelle Abgasanalysetechnik zum Einsatz kam.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Johannes D. Michl
Analyse der thermischen Randbedingungen im wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Arbeit beschreibt eine tiefgehende Analyse der thermischen Randbedingungen im
wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor. Versuche an einem mit zahlreichen Temperaturmessstellen
ausgestatteten Einzylinder-Forschungsmotor liefern detaillierte Ergebnisse über wärmeübergangsrelevante
Einflussfaktoren. Als dominanter Einflussfaktor auf die thermischen Gegebenheiten im Brennraum stellte sich
die Gemischzusammensetzung heraus. Auswirkungen einer Variation von Verbrennungsluftverhältnis und
Restgasmenge auf die gemessenen Wandwärmeströme werden dargestellt und die grundlegende
Abhängigkeit des Wärmeüberganges von Verbrennung und Stoffzusammensetzung diskutiert. Neben den
Einflüssen einer Drallströmung wurden wichtige Parameter der gasförmigen Wasserstoffeinblasung variiert
und deren Auswirkung auf den Wärmeübergang bewertet.
Aufbauend auf den durchgeführten Versuchen wurden Vergleiche der gemessenen Wandwärmeströme mit
ausgewählten publizierten Wärmeübergangsansätzen durchgeführt und ein neues Wärmeübergangsmodell
abgeleitet mit einem eigenständigen Modell zur Berechnung des instationären Wärmeüberganges im
Brennraum wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotoren. Dieses vorgeschlagene Modell ermöglicht die
quantitative Bestimmung des brennraumseitigen Wandwärmeüberganges in den Grenzen der
Modellgenauigkeit.
Dipl.-Ing. (FH) Liv L. Diezel
Untersuchung der Leistungssteigerung des MVC-Prozesses zur Meerwasserentsalzung über
die Erzielung von Tropfenkondensation mittels Ionenimplantation
Im Rahmen dieser Arbeit wird theoretisch aufgezeigt, dass der MVC-Prozess über die Ionenimplantation der
Verdampfer- / Kondensatoreinheit bei gleichzeitiger Kondensation und Verdampfung des Meer- bzw.
Produktwassers effizienter gestaltet werden kann.
Über die Einstellung von Tropfenkondensation durch die Ionenimplantation können auf der Kondensatseite
deutlich höhere Wärmeübertragungskoeffizienten als bei einer Film- bzw. einer Mischkondensation erzielt
werden. Bei einem vorausgesetzt ungehinderten Wärmeübergang von der Kondensatseite auf die
Verdampferseite können kleinere Temperatur- und Druckdifferenzen eingestellt und somit die erforderliche
Wärmeübertragerfläche vermindert werden. Darüber können Investitionskosten und über den Ansatz der
verminderten Druckdifferenzen zusätzlich Betriebskosten reduziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden
innerhalb einer theoretischen Kostenanalyse einer beispielhaften 10 m3·d-1 die Auswirkungen der
Verbesserungseffekte mittels der Ionenimplantierung aufgezeigt. Daraufhin wurde ein entsprechender
Versuchsstand, mit einer Produktwasserkapazität von ca. 0,1 m3·d-1 aufgebaut, der alle Komponenten einer
MVC-Anlage enthält. Mit dessen Hilfe konnte ein vollständige thermodynamische Beurteilung des Prozesses
über die Einstellung und Messung der Zustandsgrößen, wie Temperatur und Druck, sowohl auf der
Verdampfungs- und Kondensationsseite, sowie der Massenströme des einlaufenden Seewassers und des
Produktwasser erfolgen. Im Ergebnis konnten Verbesserungseffekte infolge der Ionenimplantation auf der
Kondensatseite nachgewiesen werden.
BERICHTE ZUR
BEV
______________________________________________________
(X. Tagung)
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die Automobilhersteller und ihre Zulieferer nach wie vor in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren. Die direkteinspritzenden Brennverfahren
werden sowohl für die dieselmotorische als auch für die ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich
angesehen und werden mit besonderem Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung und
dem HCCI-Brennverfahren bzw. die Benzindirekteinspritzung und variable Ventilsteuerung behandelt.
Moderne Brennverfahren werden aufgezeigt, so z. B. auch der Gasmotor, aber auch Kraftstofffragen
behandelt, die beiden letztgenannten Themengebiete jeweils in einer eigenen Sitzung. Eine eigene Sitzung ist
auch der Einspritzung gewidmet, die eine vorrangige Rolle für den gesamten Verbrennungsprozess spielt. In
einer Sitzung zur Modellierung und numerischen Simulation werden moderne Verfahren und Anwendungen
vorgestellt.
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der Brennverfahrensentwicklung, ihrer
meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw. simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zu speziellen
Fragestellungen werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von
kompetenten Vertretern aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf fast 550 Seiten mit einer
großen Anzahl von Abbildungen wird in 45 Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie BMW Group,
DENSO/Japan, MAN, MBtech Group und Saab/Schweden, den Zulieferer- und Messtechnikfirmen Bosch,
Continental, Continental/Frankreich, Delphi/USA, ESYTEC, EMPA/Schweiz, FEV und Vakuumschmelze
GmbH, sowie aus einschlägig aktiven privaten und öffentlichen Messtechnik-, Forschungs- und
Einrichtungen zählen AVL List, Chalmers University Göteburg/Schweden, cmcl innovations Cambridge/UK,
Engineering Center Steyr, Instituto Motori Neapel/Italien, LEC Graz, Loughborough U/UK, RWTH Aachen,
Sandia Nat. Labs./USA, Senatsverwaltung Berlin, TU Darmstadt, TU Freiberg, TU Graz, TU München,
TU Posen/Polen, TU Wien, TÜV Hessen, U Aberdeen/Schottland, U Bayreuth, U Erlangen, U Karlsruhe,
U Magdeburg, U Michigan/USA, U Neaples/Italien, U Rostock und Wayne State U./USA.
Erlangen 2011
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. (FH) Oliver Böcker
Thermodynamische Entwicklung und Analyse einer nach den Anforderungen der
Kreisprozessabschnitte gestalteten Hubkolbenbrennkraftmaschine
Moderne Verbrennungsmotoren für PKW arbeiten nach dem Viertaktverfahren. Um den Wirkungsgrad des
thermodynamischen Prozesses zu verbessern, ist es wichtig, zu verstehen, was mit der verbleibenden
Kraftstoffenergie geschieht, bzw. wie diese Energie für den Prozess nutzbar gemacht werden kann. Der
thermodynamische Prozess einer Verbrennungskraftmaschine teilt sich in der Regel in die Prozessabschnitte
Ansaugen, Verdichten, Wärmezufuhr bzw. Verbrennung, Expandieren und Ausschieben auf. Jeder dieser
Prozessabschnitte hat spezielle Anforderungen an beispielweise Wandtemperaturen und Volumenverlauf des
Raumes, in dem dieser stattfindet. Da in einem konventionellen Verbrennungsmotor der gesamte Prozess in
einem Raum abläuft, ist die Auslegung für die einzelnen Kreisprozessabschnitte kompromissbehaftet. Eine
Aufteilung der Kreisprozessabschnitte auf verschiedene Räume bietet die Möglichkeit, die folgenden
Maßnahmen und Wirkmechanismen zur Wirkungsgradsteigerung umzusetzen: Gekühlte Ansaug- und
Verdichtungsphase, isochore Wärmezufuhr, Wärmeisolierte Verbrennung und Expansion, Expansion auf
Umgebungsdruck (Verlängerte Expansion) und Rekuperation von Abgasenergie.
Aufgabe dieser Arbeit ist die thermodynamische Untersuchung der einzelnen Prozessabschnitte hinsichtlich
ihrer Anforderungen an die Beschaffenheit des Raumes in dem sie ablaufen. Als Versuchträger dient eine
neuartige Bauform einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, bei der das Arbeitsvolumen durch die
Maschine hindurchwandert und somit jeder Prozessabschnitt in einem eigenen Raum stattfindet. Die dabei
entstehenden Freiheitsgrade bieten das Potential, den thermodynamischen Gesamtprozess auf einen
Wirkungsgrad von über 50 % zu steigern. Die Analyse beinhaltet neben der Aussage zum Wirkungsgrad auch
eine Aussage zur Umsetzbarkeit der Maschine und eine Bewertung der Abweichungen zu konventionellen
Verbrennungsmotoren.
Dipl.-Ing. Dipl.-Ing. (FH) Achim Gotterbarm
Untersuchung des Wärmeübergangs und des Bündeleffekts an Rippenrohren mittels
numerischer Strömungssimulation
In Rohrbündelverflüssigern von kältetechnischen und petrochemischen Anlagen werden spezielle
Rippenrohre eingesetzt, um die Effizienz und Kompaktheit solcher Apparate zu steigern. Durch Herabtropfen
von Kondensat oberer auf untere Rohrreihen wird der Kondensationswärmeübergang stark negativ
beeinflusst, was auch als Bündeleffekt bekannt ist und einen der begrenzenden Faktoren darstellt, um solche
Anlagen noch effizienter zu gestalten. Daher wird in dieser Arbeit erstmalig numerische Strömungssimulation
eingesetzt, um unter adiabaten Bedingungen das Ablaufverhalten und darauffolgend unter diathermen
Bedingungen den Kondensationsprozess am Einzelrohr und im Rohrbündel zu simulieren. Der Einstieg in die
Mehrphasensimulation wird an 2D-Glattrohrmodellen durchgeführt. Im Vergleich zu Literaturdaten und der
Nußelt-Gleichung konnte die Filmdicke eines abfließenden Flüssigkeitsfilms über eine Rohroberfläche mit
guter Übereinstimmung simuliert werden. Weitere adiabate Simulationen wurden an 3D-Rippenrohrmodellen
mit variierenden Rippendichten sowie den Kältemitteln R134a und Propan durchgeführt. Im Fokus steht die
Simulation der statischen Kondensatrückstauung, welche sich unter adiabaten Bedingungen durch die
Kapillarkräfte und der Gewichtskraft zwischen zwei Rippen einstellt.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Micha G. Löffler
Entwicklung einer planaren Lasermesstechnik zur simultanen Temperatur- und
Konzentrationsmessung bei Gemischbildungsprozessen im Ottomotor
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer planaren Lasermesstechnik zur simultanen
Temperatur- und Konzentrationsmessung bei Gemischbildungsprozessen im Ottomotor auf Basis der
laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Zur zweidimensionalen Messung von Temperatur und
Restgaskonzentration ist die Technik der LIF mit Zwei-Wellenlängen-Anregung und dem Einsatz von Ketonen
als Tracer besonders geeignet. Die Abhängigkeiten der Fluoreszenz von Druck, Temperatur und
Trägergaszusammensetzung können aber nicht theoretisch vorhergesagt und müssen daher durch
Kalibriermessungen gefunden werden. In dieser Arbeit wird die Datengrundlage mit Messdatenfeldern im
Druckbereich von 0,2 bar bis 20 bar und im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 750 K erweitert. Die
Messdaten werden für Aceton und Diethylketon in Luft, in einem 1:1 Luft/Abgas-Gemisch und in Stickstoff
präsentiert. Als Anregungswellenlängen wurden 248 nm und 308 nm gewählt. Während Aceton für die
Zugabe zur Ansaugluft besonders geeignet ist, um Temperatur und Restgaskonzentrationen zu messen,
kann 3-Pentanon wegen des ähnlichen Siedepunkts zum Ersatzkraftstoff Isooktan zugegeben werden und die
simultane Messung von Temperatur und Kraftstoffkonzentration ermöglichen. Die Messtechnik wird in einem
Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung validiert. Durch die neuen Kalibrierdaten, dem Einsatz eines
Strahlhomogenisierers, der Puls-zu-Puls-Energiemessung und weiterer Maßnahmen wird die
Messgenauigkeit der Messtechnik Zwei-Wellenlängen-Anregung deutlich erhöht.
M. Sc. Lars Zigan
Hermann-Appel-Preis 2012
Fachgebiet „Antriebsstrangentwicklung“
1. Preis Kategorie „Dissertation“
Laserdiagnostische und numerische Untersuchungen zum Einfluss der
Kraftstoffzusammensetzung auf die Sprayausbildung bei der Benzindirekteinspritzung
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss der Kraftstoffeigenschaften auf die Spraystruktur und die
Sprayprozesse für die strahlgeführte Benzindirekteinspritzung unter Schichtladebedingungen mit
laserbasierten Messmethoden sowie numerischen Rechnungen dargestellt. Der Einfluss von Ein- und
Mehrkomponentenkraftstoffe auf die Spraystruktur wurde mit der Mie-Streulichttechnik, der laserinduzierten
Fluoreszenz und der Phasen-Doppler Anemometrie in einer Einspritzkammer untersucht. Es konnte gezeigt
werden, dass auch unter erhöhtem Gegendruck ein Kollabieren des Sprays bei hohem Leichtsiederanteil im
Kraftstoff, beispielsweise für Ethanol, z.B. E85, resultiert. Ein geringer Schwersiederanteil hingegen kann das
Spray stabilisieren und ein einfaches 3-Komponentengemisch konnte als Modellkraftstoff für einen
Mehrkomponenten-Realkraftstoff
qualifiziert
werden.
Weitere
experimentelle
und
numerische
Untersuchungen zeigten eine fraktionierte Verdampfung der Kraftstoffanteile, was zu einer Schichtung der
Komponenten in der Dampfphase und zu einer Beeinflussung der Entflammung und Verbrennung führen
kann.
Die Düseninnenströmung und der Strahlaufbruch sind hauptsächlich durch die Viskosität bestimmt. Eine
geringe Zähigkeit bzw. eine höhere Reynoldszahl kann die Kavitation und die turbulente Durchmischung in
der Düse steigern. Dabei werden zyklische Sprayfluktuationen reduziert, es resultieren eine größere
Eindringtiefe und schlankere Sprays.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Kamil Krzemiński
Automatisierte Plattenapparatur zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Fluiden und
Feststoffen
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wird das stationären Zweiplattenprinzip verwendet und in einer
aufwändig konzipierten Apparatur umgesetzt. Die Methode bietet einige Vorteile, wie z.B. einen einfachen
geometrischen Aufbau. Eine ebene Form des Messvolumens ermöglicht Messungen neben Fluiden auch an
Feststoffen. Durch verschiedene Massnahmen werden Messfehler durch freie Konvektion, Wärmeverluste an
den Berandungen und Strahlung minimiert. Die optimale Einstellung und genaue Erfassung der
Temperaturen, der geometrischen Parameter des Messvolumens und der Leistungsaufnahme der Heizplatte
ermöglichen es, mit dem Verfahren die Wärmeleitfähigkeit von vielfältigen Medien mit einer absoluten
Genauigkeit von besser als 5% zu bestimmen. Durch die Automatisierung des Messablaufes unter Vorgabe
der Messparameter bleibt der Zeitaufwand für das Verfahren in einem vertretbaren Maß.
Die Beurteilung der Messgenauigkeit der Apparatur erfolgt durch Vergleiche von experimentell gewonnenen
Ergebnissen an Referenzfluiden mit entsprechenden Literaturdaten. Hiermit sowie anhand zusätzlicher
Messungen an unterschiedlichen Stoffen wird die Einsetzbarkeit des entwickelten Messgerätes in
wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen demonstriert und bewertet. Außerdem werden
Messungen an ionischen Flüssigkeiten vorgestellt, die zur Entwicklung eines einfachen Modells für die
Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
Dipl.-Ing. Stefan Dowy, M.Eng.
Anwendung von Streulichttechniken zur In-situ-Analyse des Partikelbildungsprozesses im
überkritischen Antisolvent-Verfahren
Das überkritische Antisolvent-Verfahren zur Herstellung feinster Partikel mit enger Korngrößenverteilung
ermöglicht durch eine einfache Variation der Prozessparameter die Herstellung verschiedenster
Partikelgrößen und Morphologien. In der vorliegenden Arbeit werden zwei verschiedene Modellsysteme
untersucht. Zum einen ein metallorganisches ternäres System bestehend aus dem Halbleitervorprodukt
Yttriumacetat, dem Lösungsmittel Dimethylsulfoxid und dem Antisolvent Kohlendioxid (CO2) und zum
anderen ein organisches ternäres System, bestehend aus dem pharmazeutischen Wertstoff Paracetamol,
dem Lösungsmittel Ethanol und dem Antisolvent CO2. Während für die Partikelabscheidung bereits ein
rudimentärer empirischer Modellansatz besteht, fehlt dieser für das pharmazeutische System gänzlich.
Ein bereits bestehendes Modell des metallorganischen Systems wird mittels optischer In-situ-Messtechniken
verifiziert und erweitert. Die thermo-physikalischen Vorgänge werden systematisch über eine Variation von
Druck, Temperatur und Lösungskonzentration untersucht. Verwendet werden bildgebende In-situSimultanstreulichtmesstechnik
und
eine
Hochgeschwindigkeits-Mikroskop-Streulichtmesstechnik.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Andreas Birkigt
Analyse von Vorentflammungsphänomenen an hoch aufgeladenen Ottomotoren mit
Direkteinspritzung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse des Phänomenes der Vorentflammung an einem hoch aufgeladenen
Ottomotor mit Direkteinspritzung. Die limitierende Wirkung der Vorentflammung auf den erreichbaren
Downsizing-Grad bzw. den effektiven Mitteldruck führt zu dem Ziel dieser Arbeit, die Grenzen für das
Auftreten der Selbstzündung in höhere Lastbereiche zu verschieben, ohne jedoch systemimmanente
Nachteile im Kraftstoffverbrauch hinzunehmen. Zu diesem Zweck werden mit Hilfe von statistischen,
thermodynamischen und optischen Methoden die Eigenschaften der Vorentflammung analysiert und erstmalig
ein ganzheitliches Erklärungsmodell erarbeitet. Aus diesen Ergebnissen ergeben sich zwei mögliche
Optimierungsansätze. Einerseits können die global im Brennraum vorherrschenden thermodynamischen
Zustände und andererseits die lokalen Bedingungen optimiert werden. Diese Verbesserungsansätze zur
Vermeidung von Vorentflammungen werden durch die Kombination von experimentellen Versuchen und
numerischen Berechnungen auf ihre Sensitivität geprüft. Die aus den Untersuchungen erhaltenen Ergebnisse
zeigen eindeutig, dass eine Verschiebung der Vorentflammungsgrenze für den vorliegenden Versuchsträger
in höhere Lastbereiche durch beide Optimierungsansätze möglich ist.
Katja Danov, M. Sc.
Synthese von Kohenstoff-Nanoröhren durch katalytische Gasphasenabscheidung
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der katalytischen chemischen Gasphasenabscheidung
(CCVD) von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) auf pulverförmigen und flachen Substraten. Die gewonnenen
Erkenntnisse können einerseits bei der Entwicklung von Industriekatalysatoren und der industriellen CCVD
Synthese von CNTs und andererseits der Erstellung einer Theorie für den katalytischen
Wachstumsmechanismus von CNTs mittels in-situ Raman Analyse, verwendet werden. Um dies zu
realisieren, wurde eine Reihe von Untersuchungen bezüglich der Katalysatorpräparation, der Ermittlung von
Trends und Parameterfenstern bei der CCVD von CNTs auf pulverförmigen Substraten und der Auswahl
geeigneter Parameter für die CNTs Synthese auf flachen Substraten für die in-situ Raman Untersuchungen
durchgeführt. Für die Herstellung von Fe, Ru und bimetallischen Fe/Ru Katalysatoren sowohl auf
pulverförmigen als auch auf flachen Substraten wurden drei Präparationsmethoden getestet:
metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD), Nassimprägnierung und Elektronenstrahlinduzierte Abscheidung (EBID). Es hat sich herausgestellt, dass die MOCVD die geeignetste
Präparationsmethode ist. Diese bietet eine homogene Verteilung des Metalls auf der Substratoberfläche,
enge Korngrößenverteilung und hohe CO-Adsorptionsaktivität. Die verwendeten MO-Precursoren wurden
hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften charakterisiert und die optimalen Reaktionsbedingungen für
die Katalysatorpräparation für die CNTs Synthese ermittelt. Als Nächstes wurde der Einfluss verschiedener
Reaktionsparameter bei der CCVD Synthese von CNTs auf pulverförmigen Substraten im
Wirbelschichtreaktor untersucht und wichtige Trends und Parameterfenster ermittelt. Daraus wurden auch
optimale Parameter für die CNTs Synthese bei der in-situ Raman Analyse der Gasphase ausgewählt. Dazu
wurde ein neuer optisch zugänglicher CVD-Reaktor konzipiert, mit dem sowohl die Abscheidung von CNTs
als auch die in-situ optischen Untersuchungen gleichzeitig gewährleistet werden können. Es war möglich
erste Zusammenhänge zwischen den in-situ ermittelten Ergebnissen (Konzentration des Acetylens und
Temperaturverlauf) und den ex-situ ermittelten Ergebnissen für die Mikrostruktur der entstandenen CNTs zu
erstellen.
Berichte zur
BEV
Dipl.-Ing. Ilona Gostić
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 NOxReduktion 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 notwendigen emissionsreduzierenden Strahlform kann effizient die gebrauchte Düsengeometrie
ausgelegt werden.
- aktuelle Probleme und moderne
Lösungsansätze (XI. Tagung)
Ludwigsburg, 14./15. März 2013
Der diesjährige internationale Kongress „Motorische Verbrennung“ bietet wieder ein kompaktes Programm,
das nahezu das gesamte Spektrum der motorischen Verbrennung abdeckt, und so einen Überblick über
aktuelle Fragestellungen und moderne Lösungsansätze aus ausgewählten Teilgebieten der motorischen
Verbrennung in Otto-, Diesel- und Gasmotoren vorstellt. Auf der Veranstaltung wurden in vier Hauptvorträgen
spezielle Highlights von ausgesuchten und eingeladenen Experten vorgestellt, die ebenfalls in diesem
Proceedingsband aufgenommen sind,
Professor Arai von der Gunma-Universität in Japan, ein international anerkannter Pionier der Modellierung
motorischer Sprays,
Professor Eichlseder der TU Graz,
Dr. Kampmann, Bereichsvorstand Entwicklung Gasoline Systems der Robert Bosch GmbH, gemeinsam mit
leitenden Mitarbeitern und
Dr. Wagner, Direktor des Fuels Engines and Emissions Research Center des Oak Ridge National Laboratory,
USA.
Der Anteil der internationalen Beteiligungen ist besonders hoch: von den 45 Beiträgen aus 11 Ländern
kommen mehr als die Hälfte aus dem Ausland oder ist mit ausländischer Beteiligung abgefasst. Ihre hohe
Qualität äußert sich z.B. auch in der Tatsache, dass an über 25% der Beiträge Fellows der International
Society of Automotive Engineers (SAE) beteiligt sind (Fellows stellen nur etwa 0,25 % aller 130.000 SAEMitglieder weltweit dar).
Auf fast 550 Seiten mit einer großen Anzahl von Abbildungen wird in 45 Beiträgen von Vertretern der
Automobilindustrie AUDI, BMW Group, Caterpillar/UK, Daimler und Volkswagen, den Zulieferer- und
Messtechnikfirmen BorgWarner BERU, Bosch, Continental, FEV, Handtmann Biberach, IAV und L´Orange
sowie aus einschlägig aktiven privaten und öffentlichen Messtechnik-, Forschungs- und
Einrichtungen zählen AVL List, BAM Berlin, Chalmers University Göteburg/Schweden, City U London/UK,
cmcl innovations Cambridge/UK, Gunma U/Japan, HS Ingolstadt, HS Regensburg, HS Wolfsburg, Instituto
Motori Neapel/Italien, Kompetenzzentrum „Virtuelles Fahrzeug“ Graz, Karlsruhe Inst. Technologie,
Loughborough U/UK, Lund Combustion Engineering/Schweden, Oak Ridge Nat. Lab./USA, Oil & Gas Institute
Krakau/Polen, MOT Karlsruhe, RWTH Aachen, Sandia Nat. Labs./USA, Tianjin U/China, TU Cottbus, TU
Darmstadt, TU Freiberg, TU Graz, TU München, TU Posen/Polen, TU Prag/Tschechei, U Bayreuth, U
Duisburg, U Erlangen, U Hannover, U Michigan/USA, U Rostock, U Stuttgart und Wayne State U./USA.
Erlangen 2013

berichte zur - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

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Roberto Lisker - Technische Hochschule Wildau