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. Die Komplexität dieses Verfahrens wird durch die gesetzlich verordnete Zumischung von regenerativen Anteilen zu fossilen Ottokraftstoffen vergrößert, welche andere Stoffdaten aufweisen und folglich die Spray- und Verbrennungsprozesse beeinflussen können. 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 größere Zähigkeit führt zu einer reduzierten Einspritzmenge mit tendenziell kleineren Tropfen. 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. Diese Trends konnten nicht durch Untersuchungen an vereinfachten Düsen oder mit klassischen Zerstäubungsmodellen in der Literatur vorhergesagt werden, da vor allem die Strömungsänderungen sowie die nadel- und wirbelinduzierte Kavitation unberücksichtigt bleiben, die das Spray aber signifikant prägen.