Sprays: Tropfengrößenverteilungen

Will man Verbrennungsvorgänge optimieren, muss man zwangsläufig bereits bei der Gemischaufbereitung bzw. der Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum ansetzen. Die räumliche Verteilung des Kraftstoffs und die zeitliche Entwicklung (Sprayverdampfung) ist von großer Bedeutung für die nachfolgend ablaufende Verbrennung. Bildgebende Verfahren ermöglichen im Vergleich zu Punktmessungen (z.B. Phasen-Doppler Anemometrie, PDA) eine erhebliche Verringerung der Messzeit. Durch die Detektion von Momentaufnahmen ist darüberhinaus die Beobachtung transienter Vorgänge im Spray möglich. Ziel der Entwicklung der zweidimensionalen Verfahren zur Messung der Kraftstoffsprayverteilung und Tropfengrößen im Brennraum ist es, Messungen unter möglichst realen Bedingungen durchzuführen: Anwendung konventioneller Kraftstoffe, gleiche Temperatur- und Druckverhältnisse, identische Brennraumgeometrie. Dies stellt z.B. am realen, direkt einspritzenden Dieselmotor schwierige Bedingungen für die optische Messtechnik dar (z.B. Lichtabsorption durch den Kraftstoff, dichtes Spray).

 

Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Sprayanalytik an der Hochtemperatur-Hochdruckkammer in den Labors von DaimlerChrysler in Stuttgart. 

Bei einer Messreihe in Zusammenarbeit mit DaimlerChrysler wurden simultane Aufnahmen des LIF- und Miesignals an einem fluoreszenzmarkierten, realen Diesel-Spray aufgenommen (Abb. 3). In der Hochtemperatur-Hochdruckkammer (Abb. 1,2) können die Umgebungsbedingungen des Spray so eingestellt werden, daß sie denen im Motor bei verschiedenen Lastpunkten entsprechen. Bei entsprechender Sequenz mehrerer Laserpulse erfasst man durch die Aufnahme einer Zeitserie die Entwicklung (Ausbreitung, Verdampfung) des Sprays.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau des Experimentes für Simultan-Aufnahmen von Einspritzvorgängen der vorheizbaren Hochdruckkammer. Die Messung von LIF- und Mie-Signal erfolgt simultan mit zwei Streakkameras, sodass die Beobachtung von Zeitserien zur Sprayentwicklung möglich ist. Anregung durch Nd:YAG Laser (532 nm). Fluoreszenzdetektion bei 580 nm ± 30 nm, Mie-Streulicht bei 532 nm.

Die simultane Detektion von Fluoreszenz- und Streulichtintensität ermöglicht die flächenhafte Beobachtung der Verteilung mittlerer Tropfengrößen. Das Verhältnis der Intensitäten ist proportional zum Sauter-Durchmesser (Sauter Mean Diameter, SMD), sofern keine Verdampfung stattgefunden hat. Der Sauter-Durchmesser ist ein mittlerer Durchmesser, der zur Spraycharakterisierung benutzt wird. Ein Tropfen dieses Durchmessers hat das gleiche Verhältnis von Volumen zu Oberfläche wie die gesamte (Spray-)Probe, also die Summe aller Oberflächen und Volumina.

 

Abbildung 3: Simultane Momentaufnahme der LIF- und Mieintensitätsverteilung eines Common-Rail Diesel-Einspritzstrahls. Das LIF-Signal kommt dabei ausschließlich aus der flüssigen Phase. (ESB = Einspritzbeginn)

Die Verdampfung des Kraftstoffs führt zu einer Aufkonzentration des schwerflüchtigen Tracers und macht damit die "Verdampfungsgeschichte" des Sprays erkennbar. Im LIF-Signal ist die Information der ursprünglichen Tropfengröße enthalten, da die Anzahl der Farbstoffmoleküle im Tropfen konstant bleibt. Kleinere, bereits verdampfende Tropfen zeigen ein abnehmendes Streulichtsignal (Mie-Streuung), während das LIF-Signal gleichbleibt, somit steigt der Wert der Signalverhältinsses weiter an.

Das Arbeiten im sichtbaren Spektralbereich erlaubt hierbei den Einsatz von Standardkraftstoffen, die besonders im Roten eine weitgehende Transparenz aufweisen.

siehe auch: Mie/LIF-Dropsizing

Literatur:

[1] I. Düwel, H.-W. Ge, H. Kronemayer, R. W. Dibble, E. Gutheil, C. Schulz, and J. Wolfrum, "Experimental and numerical characterization of a turbulent spray flame," Proc. Combust. Inst. 31, in press (2006).
[2] I. Düwel, J. Schorr, J. Wolfrum, and C. Schulz, "Laser-induced fluorescence of tracers dissolved in evaporating droplets," Appl. Phys. B 78, 127-131 (2003).
[3] I. Düwel, J. Schorr, P. Peuser, P. Zeller, J. Wolfrum, and C. Schulz, "Spray diagnostics using an all solid-state Nd:YAlO3 laser and fluorescence tracers in commercial gasoline and Diesel fuels," Appl. Phys. B 79, 249-254 (2004).