BERICHTE ZUR - beim Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
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Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 93.1<br />
Dipl.-Ing. Kai-Uwe Münch<br />
Anwendung der zweidimensionalen Mie-Streulichttechnik zur Diagnose des Einspritzprozesses<br />
im Brennraum eines direkteinspritzenden PKW-Dieselmotors<br />
Im Rahmen des Berichtes werden Messungen der Sprayausbreitung innerhalb der Kolbenmulde eines 1.9 l<br />
DI Dieselmotors mit einer zweidimensionalen Streulichttechnik beschrieben. Es wurden die<br />
Strahleindringtiefen und Kegelwinkel der sich ausbreitenden Strahlen einer Fünflochdüse gemessen. Aus den<br />
gemessenen Flüssigkeitsverteilungen in einer definierten Lichtschnittebene unterhalb des Zylinderkopfes<br />
wurde die statistische Information des Auftretens von flüssigem Kraftstoff, ausgedrückt durch eine<br />
Erscheinungs-Häugigkeitsverteilung (EHV), berechnet. Dieses Verfahren wurde notwendig, da die<br />
Messungen zeigten, daß die Flüssigkeitsverteilungen im Lichtschnitt großen Zyklusfluktuationen unterlagen.<br />
Die berechneten EHVs beschreiben nun diese Verteilung im Lichtschnitt. Diese Art der Beschreibung eignet<br />
sich zur Verifizierung von numerisch erzielten Ergebnissen, die in der Lage sind, eine mittlere, nicht<br />
Zyklusschwankungen unterliegende Flüssigkeitsverteilung vorherzusagen. Aus den Untersuchungen konnten<br />
empirische Gleichungen zur Beschreibung der Strahleindringtiefe im Motor hergeleitet werden. Die<br />
Meßergebnisse der Strahlkegelwinkel lieferten eine eingeschränkte Übereinstimmung mit Ansätzen aus der<br />
Literatur und verdeutlichten die schwierige Vergleichbarkeit solcher Untersuchungen aufgrund<br />
unterschiedlicher Versuchsbedingungen.<br />
Einen bedeutenden Teil der beschriebenen Arbeit nahm die Entwicklung eines Meßsystems in Anspruch, das<br />
auf Grundlage der Teilchenstreuung (Mie-Streuung) arbeitet. Am Ende der Entwicklungsarbeit standen eine<br />
Meßtechnik und ein Auswerteverfahren zur Verfügung, das die Vorteile von integralen zweidimensionalen<br />
optischen Meßtechniken mit den Vorteilen von Laserlichtschnitttechniken verknüpft. Das vollständig<br />
entwickelte Meßsystem arbeitet sehr gut unter motorischen Bedingungen und ist in der Lage, einen großen<br />
Betrag zuverlässiger Meßdaten in nur kurzer Meßzeit zu liefern. Teure Prüfstandszeiten können somit<br />
reduziert werden.<br />
Schriftenreihe Heft 93.2<br />
Dipl.-Phys. Eggert Magens<br />
Nutzung von Rotations-CARS zur Temperatur- und Konzentrationsmessung in Flammen<br />
In dem Bericht werden die Nutzungsmöglichkeiten von Breitband-Rotations-CARS zur technischen<br />
Anwendung <strong>für</strong> die gleichzeitige Temperatur- und Konzentrationsmessung dargestellt. Dazu wird eine neue<br />
Auswertemethode <strong>für</strong> die Spektren linearer Moleküle entwickelt, die allgemein <strong>für</strong> reine Gase wie auch <strong>für</strong><br />
Gasmischungen angewendet werden kann. Zur geschlossenen mathematischen Behandlung wird eine neue<br />
Darstellung auch zur Berechnung von Theoriespektren entwickelt, die <strong>für</strong> die Auswertung als<br />
Vergleichsmaßstab benötigt wird. Dabei wird der Berechnungsaufwand ohne weitergehende<br />
Näherungsannahmen auf das <strong>für</strong> die Auswertung benötigte Minimum begrenzt.<br />
Die Anwendbarkeit des Modells und der Auswertemethode wurde <strong>für</strong> Breitband-Rotations-CARS-Spektren<br />
und einfache Systeme aus N 2 zur Thermometrie aber auch zur Analyse einfacher Gasmischungen <strong>für</strong> die<br />
gemeinsame Temperatur- und Konzentrationsmessung erprobt. Das Auswerteverfahren selbst wurde in einer<br />
Vielzahl von Tests auf Robustheit überprüft und mit bekannten Verfahren verglichen. Im Rahmen der<br />
statistischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß mit Rotations-CARS potentiell auch bei hohen<br />
Temperaturen eine zum Vibrations-CARS-Verfahren vergleichbare Meßgenauigkeit erzielbar, die Genauigkeit<br />
der Temperaturbestimmung aber stark verfahrensabhängig ist.<br />
Zur Berechnung von Rotationsspektren nichtlinearer Moleküle wird ein geschlossenes Berechnungsverfahren<br />
angegeben. Anhand einiger Beispiele kann die prinzipielle Übereinstimmung von Rechnung und Experiment<br />
gezeigt werden.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 94.1<br />
Dipl.-Phys. Thomas Seeger<br />
Anwendungsvergleich von Vibrations- und Rotations-CARS in der technischen Verbrennung<br />
Auf Grundlage experimenteller Untersuchungen werden Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken<br />
hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in der technischen Verbrennung verglichen. Die Charakterisierung der bisher<br />
wenig gebräuchlichen Rotations-CARS-Verfahren ist Schwerpunkt der Untersuchungen. Die vorgestellten<br />
Ergebnisse beschränken sich auf die Temperatur- und Konzentrationsbestimmung bei atmosphärischen<br />
Verbrennungsvorgängen.<br />
Das verwendete CARS-System ist so konzipiert, daß mit geringen Modifikationen des Gesamtsystems dieses<br />
sowohl <strong>für</strong> Vibrations- als auch <strong>für</strong> Rotations-CARS-Techniken genutzt werden kann. Auf Grund der zur<br />
Analyse von Verbrennungsvorgängen notwendigen zeitlichen Auflösung wurde nur die sogenannte Breitband-<br />
CARS-Technik eingesetzt. Die Systemüberprüfung wurde in einem Hochtemperaturofen durchgeführt, in dem<br />
definiert Temperaturen von 300 K bis 2000 K eingestellt werden konnten. Auf diese Weise war eine<br />
Beurteilung der verschiedenen CARS-Verfahren hinsichtlich Meßgenauigkeit und Standardabweichung<br />
möglich.<br />
Die technische Nutzbarkeit von Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken wurde durch Untersuchungen an<br />
einem turbulenten Vormischbrenner in Zusammenarbeit mit ASEA BROWN BOVERI am LTT-Erlangen<br />
demonstriert. So konnte das Potential der eingesetzten Meßmethoden <strong>für</strong> die Temperaturbestimmung und die<br />
Bestimmung der Konzentrationsanteile <strong>für</strong> N 2 und O 2 gezeigt werden.<br />
Schriftenreihe Heft 94.2<br />
Dipl.-Phys. Stefan Kampmann<br />
Entwicklung einer zweidimensionalen Laser-Rayleigh-Temperaturmeßsonde zur Unter-<br />
suchung hochturbulenter Verbrennungsvorgänge in einem industriellen Drallbrenner<br />
In dem Bericht werden Messungen von zeitlich und räumlich hochaufgelösten Temperaturfeldern an einem industriellen<br />
Drallbrenner innerhalb einer abgeschlossenen Brennkammer beschrieben. Aus den Ergebnissen<br />
konnten die globalen Strukturen der hochturbulenten Methan/Luft-Flamme bei verschiedenen<br />
Betriebsbedingungen bestimmt werden. Durch eine hohe Anzahl von Einzelmessungen an verschiedenen<br />
Axialpositionen der reagierenden Strömung war es dabei möglich, das gesamte Verbrennungsfeld mit Hilfe<br />
von Temperatur-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen zu charakterisieren. Eine Aussage über die<br />
Wechselwirkung zwischen turbulentem Strömungsfeld und chemischer Reaktion der Verbrennung erlaubte<br />
die Messung der inneren Struktur der Verbrennung in Form von Flammenfrontdicken.<br />
Einen bedeutenden Teil der beschriebenen Arbeit nahm die Entwicklung eines Meßsystems in Anspruch, das<br />
auf Grundlage der Rayleigh-Streuung eine Temperaturbestimmung erlaubt. Störende Interferenzen des<br />
Rayleigh-Signales mit Mie-Streulicht und laserinduzierten Reflexionen an Brennraumoberflächen konnten<br />
durch geeignete konstruktive Maßnahmen reduziert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeit wurde durch<br />
den Wechsel auf eine UV-Laserquelle hoher Leistung und die damit verbundene Erhöhung der<br />
Signalphotonen die Genauigkeit der Temperaturbestimmung beträchtlich verbessert. Der simultane Einsatz<br />
der Rayleigh-Temperatursonde mit einer im Bericht 94.1 beschriebenen CARS-Meßsonde erlaubte<br />
Temperaturmessungen mit Genauigkeiten von 50 K. Um neben den Temperaturinformationen auch<br />
Aussagen über die Stärke der ablaufenden Verbrennungsreaktionen zu erhalten, wurde eine Filteroptik<br />
entwickelt, die es erlaubt, mit Hilfe einer Laserquelle und eines Kamerasystems simultan Temperaturfelder<br />
und OH-Konzentrationverteilungen in dem Verbrennungsfeld zu bestimmen.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 95.1<br />
Dipl.-Ing. Ralf Obertacke<br />
Heinrich-Mandel-Kraftwerkspreis 1995<br />
der VGB-Forschungsstiftung<br />
Ein emissionstomographisches Sensorsystem <strong>für</strong> die Bestimmung zweidimensionaler<br />
Temperatur- und Radikalenfelder in Feuerungen<br />
In diesem Bericht wird ein optisches Sensorsystem vorgestellt, das die zweidimensionale Verteilung der<br />
Temperatur und relevanter Radikale in Verbrennungssystemen erfaßt. Dazu wird die Bandenstrahlung der<br />
Radikale zusammen mit der Schwarzkörperstrahlung von Asche und Ruß spektroskopisch erfaßt und<br />
ausgewertet. Durch die Verwendung der Flammeneigenstrahlung kann auf komplexe und empfindliche<br />
(Laser-)Lichtquellen <strong>für</strong> Absorptionsmessungen verzichtet werden, wodurch sich das System <strong>für</strong> den Einsatz<br />
in industriellen und Kraftwerksumgebungen eignet. Die Radikale NO, OH, CN, NH und CH wurden als<br />
Führungsgrößen <strong>für</strong> die NOx-Bildung ermittelt und im Spektralbereich zwischen 260 nm und 480 nm<br />
detektiert. Trotz des fehlenden thermischen Gleichgewichtes <strong>für</strong> die elektronischen Übergänge kann durch<br />
eine breitbandige Detektion die Gesamtintensität einer Bande als relatives Konzentrationsmaß verwendet<br />
werden. Die Verwendung des UV/VIS-Spektrums auch <strong>für</strong> die Temperaturbestimmung erweist sich als<br />
besonders vorteilhaft in Feststoffeuerungen, die eine starke IR-Strahlung aufweisen.<br />
Am Beispiel der NOx-Reaktionskinetik wird gezeigt, daß schon bei eindimensionaler Detektion durch die<br />
simultane Bestimmung der Temperatur und der Radikalenintensitäten Korrelationen mit den Rauchgaswerten<br />
gefunden werden können, wodurch eine sofortige Beurteilung des Verbrennungsprozesses und ein sofortiger<br />
Eingriff in diesen ermöglicht wird. Das Meßprinzip des neuen Sensorsystems wurde bisher in Steinkohle- und<br />
Braunkohlestaubfeuerungen, Gasfeuerungen und Sondermüllverbrennungen getestet. In der<br />
Sondermüllverbrennung eignen sich die NH- und CN-Radikale als Indikatoren <strong>für</strong> den Temperaturverlauf und<br />
die NOx-Produktion.<br />
Durch die Verwendung eines neuen tomographischen Auswerteverfahrens mit statistischen Algorithmen<br />
können auch mit nur zwei Projektionen lokale Temperatur- und Intensitätswerte rekonstruiert werden. Es<br />
werden die radiale Intensitätsverteilung und der Temperaturverlauf in einer Braunkohlestaubflamme<br />
dargestellt. Für eine große Propanflamme wurde die axiale Verteilung des CH-Radikals rekonstruiert. Neben<br />
der Verwendung als reines Monitoringsystem <strong>für</strong> die Überwachung von Einzelbrennern und von Ebenen eines<br />
Verbrennungsfeldes ist wegen der simultanen Bestimmung der lokalen Temperaturen und<br />
Radikalenintensitäten eine Beurteilung des Verbrennungsablaufs und der Reaktionskinetik möglich, die über<br />
entsprechende Stellgrößen eine Feuerungsregelung in Aussicht stellt.<br />
Schriftenreihe Heft 95.3<br />
Dipl.-Phys. Stefan Will<br />
Viskositätsmessung mit der Dynamischen Lichtstreuung<br />
Die Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine laseroptische Korrelationstechnik, mit der berührungslos und<br />
ohne aufgeprägte äußere Gradienten eine Vielzahl von Transportkoeffizienten und anderen Stoffdaten<br />
gemessen werden kann. Dieser Bericht befaßt sich damit, ob und wie diese Methode zur Bestimmung der<br />
dynamischen Viskosität von Flüssigkeiten erweitert werden kann.<br />
Grundlage der Technik bilden die Dispergierung von kugelförmigen Partikeln im Submikronbereich in die Untersuchungsflüssigkeit<br />
und die Messung des Partikeldiffusionskoeffizienten, der unmittelbar mit der Viskosität<br />
verknüpft ist. Zum erfolgreichen Einsatz der Technik müssen allerdings eine Reihe von Punkten beachtet<br />
werden, die hier erstmalig systematisch diskutiert werden und welche insbesondere mögliche Abweichungen<br />
von den zugrundeliegenden Arbeitsgleichungen und damit verknüpft die Auswertung der expe-rimentellen<br />
Korrelationsfunktionen sowie die Eigenschaften der notwendigen Streupartikel betreffen. Auf diesen<br />
Erkenntnissen aufbauend wurden die Viskositäten verschiedener beispielhafter Reinstoffe sowie eines Öls als<br />
Vertreter eines Vielkomponentengemisches gemessen, wobei der abgedeckte Viskositätsbereich etwa 0,2 bis<br />
40 mPa.s umfaßte. Diese grundlegenden Untersuchungen wurden überwiegend bei Umgebungsbedingungen<br />
durchgeführt. Für Messungen über einen erweiterten Temperaturbereich wurde ein Thermostat mit einem<br />
neuartigen optischen System konzipiert und aufgebaut; exemplarisch wurde dann die Viskosität von n-Heptan<br />
im Bereich von 20°C bis 80°C bestimmt. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, daß die Dynamische<br />
Lichtstreuung auch zur Viskositätsmessung sinnvoll einsetzbar ist. Insbesondere durch die in diesem Bericht<br />
aufgezeigten Möglichkeiten, mit exakten Arbeitsmodellen, wenigen Meßgrößen und daher geringem<br />
apparativen Aufwand sowie unter Umständen in Kombination mit anderen Transportkoeffizienten die<br />
Viskosität bestimmen zu können, machen diese Technik insbesondere <strong>für</strong> Anwendungen, in denen die<br />
Messung im thermodynamischen Gleichgewicht von Bedeutung ist, interessant.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 95.2<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Meßverfahren<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
Essen, 28./29. März 1995<br />
Erhöhte Anforderungen an moderne Fahrzeugantriebe erfordern eine deutliche Verbesserung der<br />
motorischen Verbrennung hinsichtlich Brennstoffeinsatz (Effizienz) und Umweltverträglichkeit<br />
(Schadstoff- und Partikelemissionen). Angestrebte Weiter- oder Neuentwicklungen sind nur zu<br />
erzielen über eine vorherige, immer stärker detaillierte Erfassung der Einzelvorgänge, die im<br />
jeweiligen Prozeßfortschritt <strong>für</strong> das Gesamtverhalten des Motors verantwortlich zeichnen. Die<br />
Gewinnung solcher Erkenntnisse innerhalb des Motors muß mit hoher lokaler und zeitlicher<br />
Auflösung und möglichst störungsfrei erfolgen. Moderne Meßverfahren - in der Regel optische,<br />
meist laserbasierende Meßtechniken - werden verstärkt entwickelt und eingesetzt, um diese<br />
Prozesse zu untersuchen und damit das notwendige Verständnis über einzelne Details der<br />
motorischen Verbrennung und ihres Zusammenspiels zu schaffen.<br />
Ausgehend von einer Problemdarstellung aus Sicht der einschlägigen Industrie werden zur Lösung<br />
moderne Meßverfahren und ihr exemplarischer Einsatz vorgestellt bei der Untersuchung der<br />
relevanten Teilprozesse Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung, Zündung, Verbrennung,<br />
Flammenausbreitung, Schadstoffbildung und in der Abgaserfassung. Mit Schwerpunkten in der<br />
zweidimensional - flächenhaft auflösenden Meßtechnik, mit denen nur eine Strukturerkennung in<br />
den vorliegenden turbulenten Strömungs- und Verbrennungsfeldern möglich ist und primärseitige<br />
Verbesserungsmaßnahmen direkt am Ort des Geschehens überprüft werden können, werden<br />
Meßverfahren vorgestellt und ihr Einsatz diskutiert in der Erfassung des Strömungs- und Geschwindigkeitsfeldes,<br />
der Verteilung von Gas- und Flüssigkeitsphase, des Zündvorganges und der<br />
Flammenausbreitung in Verbindung mit den auftretenden Temperatur- und Konzentrationsfeldern,<br />
der Schadstoff- und (gegebenenfalls) Rußentstehung sowie deren Nachweis im Abgasbereich.<br />
Der Berichtsband gibt in schriftlicher Form auf 259 Seiten mit 199 Abbildungen die 19 Beiträge der<br />
gleichnamigen Veranstaltung im Haus der Technik im März 1995 wieder. Referenten aus der<br />
Automobilindustrie (BMW AG, Daimler-Benz AG, Volkswagen AG), von Zulieferunternehmen<br />
(Robert Bosch GmbH, NKG Spark Plug Co.) sowie von einschlägigen privaten und öffentlichen<br />
Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (Bruker-Franzen Analytik GmbH, Inst. Motorenbau Prof.<br />
Huber GmbH, VDI-TZ Phys. Techn., RWTH Aachen, U Erlangen-Nürnberg, U Heidelberg, TH<br />
Karlsruhe, U Stuttgart) garantieren einen hohen aktuellen Stand in der vorgestellten<br />
Problembearbeitung.<br />
Erlangen 1995
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 95.4<br />
Dipl.-Ing. K. Kraft<br />
DKV-Nachwuchsförderpreis <strong>für</strong> besondere<br />
wissenschaftliche Leistungen 1996<br />
Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und<br />
Schalldämpfung transparenter Fluide mittels der Dynamischen Lichtstreuung<br />
In diesem Bericht wird die Anwendung der Dynamischen Lichstreuung zur Bestimmung von Schallgeschwindigkeit<br />
und Schalldämpfung beschrieben. Dieses laseroptische Meßverfahren erlaubt die Bestimmung der genannten<br />
Größen im thermodynamischen Gleichgewicht. Auf diese Weise können Meßwerte in ansonsten nur<br />
schwer zugänglichen Zustandsbereichen gewonnen werden. Herausragend sind hier die Phasengrenzkurven<br />
sowie das kritische Gebiet.<br />
Im ersten Teil des Berichtes werden die Grundlagen des Meßverfahrens dargestellt. Dabei werden<br />
grundlegende Fragen nach möglichen Artefakten zum Teil erstmals quantitativ diskutiert. Ein wesentliches<br />
Ergebnis ist, daß die Dynamische Lichtstreuung zur Zeit das einzige optische Verfahren zur Bestimmung der<br />
Schalldämpfung im unteren Frequenzbereich ist, das ohne wesentliche systematische Fehler mißt. Im<br />
weiteren werden grundlegende Überlegungen und Abschätzungen gezeigt, die konsequent zum optimalen<br />
Versuchsaufbau <strong>für</strong> diese Art von Messungen führen. Neben dem optischen Aufbau und einer geeigneten<br />
Zellgeometrie wird auch ein Thermostat <strong>für</strong> Messungen eines weiteren Zustandsbereiches um den kritischen<br />
Punkt vorgestellt.<br />
Im experimentellen Teil werden die theoretisch abgeschätzten Fehlergrenzen anhand von Messungen an<br />
neuen Kältemitteln validiert. Dabei werden umfangreiche Datenvergleiche durchgeführt, die deutlich den<br />
Anwendungsbereich und Nutzen dieser Technik zur Verbesserung der Datenlage besonders nahe der Siede-<br />
und Taulinie sowie im weiteren kritischen Gebiet aufzeigen. Neben Messungen an Reinstoffen wird<br />
exemplarisch auch die Einsetzbarkeit des Verfahrens zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von<br />
Gemischen gezeigt. Neben der Schallgeschwindigkeit werden auch Ergebnisse <strong>für</strong> die frequenzabhängige<br />
Schalldämpfungskonstante vorgestellt. Diese Ergebnisse erlauben grundsätzliche Aussagen über<br />
innermolekulare Ausgleichsvorgänge und Anregungsfrequenzen sowie die Berechnung der ansonsten selten<br />
gemessenen Volumenviskosität.<br />
Schriftenreihe Heft 95.5<br />
Dipl.-Ing. Dimosthenis Trimis<br />
Verbrennungsvorgänge in porösen inerten Medien<br />
In dieser Arbeit wird eine neues Konzept <strong>für</strong> einen Gasbrenner mit integriertem Wärmetauscher erarbeitet,<br />
das sich entscheidend von den konventionellen Techniken abhebt. Bei diesem Konzept findet der<br />
Verbrennungsprozeß nicht, wie üblich, mit frei brennenden Flammen in einem Brennraum statt, sondern<br />
innerhalb der Poren eines porösen inerten Mediums. Die daraus resultierenden wichtigen Vorteile <strong>für</strong> den<br />
Verbrennungsprozeß werden ausführlich beschrieben. Der Wärmetransport innerhalb der Verbrennungszone<br />
wird gegenüber freien Flammenfronten dadurch intensiviert, daß eine andere Phase, die um<br />
Größenordnungen bessere Wärmetransporteigenschaften besitzt, eingebracht wird. Die Intensivierung des<br />
Wärmetransports innerhalb der Reaktionszone durch das poröse inerte Medium kann die chemische<br />
Reaktion bei erhöhten Brenngeschwindigkeiten stabilisieren. Ein Konzept, das die Zündung und Stabilisierung<br />
von Verbrennungsvorgängen in porösen inerten Medien erlaubt, wird vorgestellt und führt zu einer typischen<br />
Auslegung solcher "Porenbrenner".<br />
Die Umsetzung zu praktischen Brennereinheiten, die <strong>für</strong> den Haushaltsbereich geeignet sind, wird dargestellt.<br />
Die Brennereinheiten verfügen über einen integrierten Wärmetauscher, so daß Gesamtheizungsanlagen mit<br />
sehr kleinen Abmessungen realisiert werden können. Die Auslegungsarbeiten und Experimente werden durch<br />
detaillierte Berechnungen des Wärmetransports im Porenkörper ergänzt. Aus den Experimenten mit<br />
verschiedenen Brennerprototypen werden die technischen Daten solcher "Porenbrenner" mit integriertem<br />
Wärmetauscher ermittelt und Verbesserungsvorschläge erarbeitet, um einige Betriebsparameter noch weiter<br />
zu optimieren. Die technischen Daten zeigen, daß die hier vorgestellte Technik den meisten heutigen<br />
Brennertechniken im Haushaltsbereich überlegen ist, wobei die kompakte Geometrie, die niedrigen<br />
Emissionen, die hohe Leistungsmodulation, die hohe Verbrennungsstabilität und die relativ einfache (und<br />
somit kostengünstige) Bauweise als Hauptvorteile zu nennen sind.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 96.1<br />
Dipl.-Phys. Frank Peter<br />
Einfluß der Ladungsbewegung auf den Verbrennungsablauf im Ottomotor<br />
Der erhebliche Einfluß des Ladungsbewegungszustandes auf den Verbrennungsablauf ist als empirische<br />
Erfahrung bekannt. Im vorliegenden Bericht wird versucht, die Wirkmechanismen aufzuklären und quantitative<br />
Zusammenhänge anzugeben. Dazu werden durch verschiedene konstruktive Parameter in den<br />
Ansaugkanälen und im Brennraum sowie Betriebsparameter (Drehzahl, Last) verschiedene<br />
Ladungsbewegungszustände erzeugt, deren Auswirkung auf die Verbrennung durch Druckindizierung<br />
bestimmt werden. Die Ladungsbewegungszustände selbst werden durch Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)<br />
hoch zeitaufgelöst vermessen. In unterschiedlichen Strömungsmessungen und Auswertungen konnten<br />
Aussagen zum mittleren Strömungsfeld, zum Verlauf der Turbulenz, zum Einfluß des turbulenten<br />
Energiespektrums, des integralen Längenmaßes und des Strömungszustandes zwischen den<br />
Zündkerzenelektroden gemacht werden. Es zeigte sich, daß verbrennungsseitig vor allem die<br />
Flammenfrontfaltung gut mit den Ergebnissen der Strömungsmessungen korreliert. Durch Untersuchung der<br />
Zylinderdruckverläufe von verschiedenen strömungsgenerierenden Maßnahmen bei zwei Zündkerzenpositionen<br />
wurde eine indirekte Proportionalität der Flammenfrontfaltung mit der Brenndauer<br />
nachgewiesen. Durch hohe Grundströmung, hohe Turbulenz sowie große Längenmaße kann die<br />
Verbrennung beschleunigt werden. Diese Parameter sind dann am wirksamsten, wenn sie an der Zündkerze<br />
und in zeitlicher Nähe zum Zündzeitpunkt auftreten.<br />
Schriftenreihe Heft 96.3<br />
Dipl.-Ing. Michael Hortmann<br />
Numerische Simulation und Optimierung von Wärmeübertragern<br />
In diesem Bericht wird ein Finite-Volumen-Verfahren zur numerischen Strömungsberechnung mit<br />
Wärmeübergang vorgestellt und zur Berechnung und Zustandsoptimierung von Wärmeübertragern<br />
angewendet. Um den Wärmeübertrager als komplette Einheit simulieren zu können, wurde das Multifluid-<br />
Multikanalkonzept implementiert, das die gleichzeitige Berücksichtigung aller am Wärmedurchgang beteiligten<br />
Fluide erlaubt und die Berechnung der Temperaturverteilung in den Trennwänden und Rippen ermöglicht.<br />
Restriktive Randbedingungen, wie die Angabe von Wandtemperaturen und Wandwärmeströme sind nicht<br />
mehr notwendig. Das numerische Verfahren berücksichtigt körperangepaßte Gitter, mit denen die komplexen<br />
Geometrien eines Wärmeübertragers modelliert werden können. Turbulente Strömungen werden mit dem k-ε-<br />
Modell sowohl mit Wandfunktionen, als auch als Low-Re-Erweiterung mit Dämpfungsfunktionen simuliert. Die<br />
gekoppelte Lösung der Impulsgleichung und der Kontinuitätsgleichung erfolgt unter Zuhilfenahme einer<br />
Druckkorrekturgleichung nach dem SIMPLE-Verfahren. Als Gleichungslöser wird ein hocheffizienter und<br />
stabiler Löser verwendet.<br />
Im Dreidimensionalen entstehen bei der Diskretisierung komplexer Geometrien numerische Gitter mit<br />
mehreren hunderttausend Stützstellen. Zur Rechenzeitverkürzung ist ein Mehrgitterverfahren implementiert,<br />
dessen Glättungseigenschaften eine Konvergenzbeschleunigung erlauben. Der in dreidimensionalen<br />
Berechnungen hohe Speicherplatzbedarf kann durch moderne Hochleistungsparallelrechner befriedigt<br />
werden, da das hier vorgestellte Verfahren mit der Technik der Gebietszerlegung parallelisiert wurde.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 96.2<br />
Hochleistungs-<br />
wärmeübertragung<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
Essen, 29./30. Oktober 1996<br />
Die Bereitstellung großer Wärmemengen oder deren Abfuhr auf kleinstem Raume stellt in vielen<br />
Bereichen technischer Anwendung ein Problem dar, dessen Lösung oftmals entscheidende<br />
Voraussetzung <strong>für</strong> die Realisierung des geplanten technischen Prozesses selbst ist. Dies gilt <strong>für</strong><br />
Anwendungen in der Elektro - und Computertechnik, der allgemeinen Prozeß- und Anlagentechnik,<br />
der Wärme-Kraft-Prozesse vom Automobil bis hin zur Kraftwerkstechnik, gleichermaßen aber auch<br />
<strong>für</strong> die Heizungs-, Kühl- und Klimatechnik. Eine Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung führt<br />
zu einer Verkleinerung der Gesamtdimensionen und somit des Gewichtes der<br />
Übertragungseinheiten und/oder zur Reduktion der notwendigen Temperaturdifferenzen. Die Realisierung<br />
großer Wärmeübergangskoeffizienten ist mit aktiven und passiven Methoden möglich.<br />
Neben einer gezielten Beeinflussung des Strömungsfeldes durch z.B. Turbulenzgeneratoren unterschiedlicher<br />
Art oder beweglichen Einbauten, die jeweils auftretende thermische Grenzschichten<br />
möglichst dünn halten sollen, ist die Nutzung von Phasenübergängen (Verdampfung und Kondensation)<br />
ein bewährtes Mittel. Wichtige Randbedingungen bilden dabei oftmals Fragen der<br />
Effizienz von Wärmeübertragungseinheiten hinsichtlich der aufzuwendenden Pumpleistung und der<br />
Wirkung von Verschmutzungserscheinungen.<br />
Der Berichtsband gibt in schriftlicher Form auf 339 Seiten mit 214 Abbildungen die 16 Beiträge der<br />
gleichnamigen Veranstaltung im Haus der Technik im Oktober 1996 wieder. Neben grundsätzlichen<br />
Betrachtungen zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung unter Berücksichtigung der<br />
Effizienz werden von ausgewiesenen Experten aus Forschung und Entwicklung einzelne Verfahren<br />
mit ihren modernen Entwicklungen vorgestellt und Problemkreise, wie z.B. das Fouling,<br />
ausführlicher behandelt. An ausgewählten Beispielen werden in der Praxis erprobte Methoden von<br />
Vertretern aus unterschiedlichen Industriezweigen vorgestellt und moderne Lösungsansätze<br />
besprochen. Einzelne Beiträge sind verfaßt von Mitarbeitern der Firmen BASF, Behr, BMW, INNEX,<br />
GEA, Siemens, Siemens-KWU und der Universitäten Bochum, Chemnitz-Zwickau, Erlangen-Nürnberg,<br />
Guildford/Surrey (GB), Hannover und Stuttgart.<br />
Erlangen 1996
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 96.4<br />
Dipl.-Ing. Gerd Koch<br />
Untersuchungen zur Tropfenkondensation auf metallischen, hartstoffbeschichteten<br />
Oberflächen<br />
Dieser Bericht behandelt die Prüfung neuartiger Promoterschichten (Hartstoffschichten) zur Realisierung der<br />
Tropfenkondensation (TK) auf unterschiedlichen Metallen, die Charakterisierung der Leistungsfähigkeit bei<br />
der mit Wasserdampf unter Umgebungsdruck untersuchten Kondensationsform und die Feststellung zum<br />
Einfluß unterschiedlicher Systembedingungen wie Randwinkelgröße, Wandneigung, Art des Wandmaterials<br />
auf den Wärmeübergangskoeffizienten, sowie definierter Mischformen von Filmkondensation (FK) und TK.<br />
Modellrechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode bestätigen die meßtechnischen Feststellungen bei<br />
den inhomogenen und instationären Übertragungsvorgängen auf der TK-Oberfläche. Die Prüfung der<br />
Funktionstüchtigkeit von Versuchsanlage und Meßtechnik wurde mit FK-Messungen in sehr guter<br />
Übereinstimmung zur Nusseltschen Wasserhauttheorie vorgenommen.<br />
Die TK ermöglicht Wärmeübergangskoeffizienten, die um eine Größenordnung größer sind als bei FK. Die<br />
Tropfenkondensation wird möglich, falls zwischen Wand und Kondensat unvollständige Benetzung herrscht.<br />
Metalle, die aufgrund guter Wärmeleitfähigkeit, der Vielfalt der Gestaltungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten<br />
und der guten Festigkeitseigenschaften bevorzugt als Baumaterialien <strong>für</strong> Wärmeübertrager genutzt werden,<br />
sind von nahezu allen Flüssigkeiten vollständig benetzbar (FK). Über eine Beschichtung der metallischen<br />
Oberfläche mit Substanzen deutlich geringerer Oberflächenenergie können die <strong>für</strong> die TK nötigen<br />
Benetzungsverhältnisse jedoch eingestellt werden. Dazu geeignete Schichten müssen einem umfangreichen<br />
Anforderungsprofil entsprechen, denn, wie zahlreiche Untersuchungen zeigen, treten bei bereits bekannten<br />
Schichten Stabilitätsprobleme auf und damit ein frühzeitiger Übergang von TK zu FK. Die Hartstoffschichten<br />
zeigen Vorteile (günstige mechanische und tribologische Eigenschaften, hohe chemische<br />
Widerstandsfähigkeit und Temperaturstabilität bis zu ca. 400°C) und sind zur Durchführung systematischer<br />
Untersuchungen bei TK ausgezeichnet geeignet, weil Variationen im Herstellungsprozeß gezielt die<br />
Realisierung unterschiedlich ausgeprägter Benetzungsverhältnisse ermöglichen.<br />
Schriftenreihe Heft 97.2<br />
Dipl.-Ing. Daniel Hofmann<br />
Promotionspreis 1998 der<br />
<strong>Technische</strong>n Fakultät<br />
Universität Erlangen-Nürnberg<br />
Zeit- und ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur- und<br />
Konzentrationsverteilung in technischen Verbrennungssystemen über die gefilterte<br />
Rayleigh-Streuung (FRS)<br />
In dieser Arbeit wird die Fortentwicklung der Rayleigh-Streulichttechnik <strong>für</strong> eine verbesserte Nutzung in<br />
technischen Verbrennungssystemen in Form der gefilterten Rayleigh-Streuung (FRS) vorgestellt. Eine<br />
optische Filtertechnik verringert hierbei deutlich den größten Nachteil der Rayleigh-Streuung, die<br />
Empfindlichkeit gegen Streulicht von Partikeln und Oberflächen.<br />
Mit der FRS-Technik können die gleichen Meßgrößen erfaßt werden wie mit der konventionellen Rayleigh-<br />
Streuung. Da durch die optische Filterung die direkte Proportionalität der detektierten Intensität zur Anzahldichte<br />
im Meßvolumen verloren geht, muß zur Bestimmung von Druck- und Temperaturverteilungen durch<br />
geeignete Modelle die spektrale Form der Rayleigh-Linie in ihrer Abhängigkeit von Druck, Temperatur und<br />
Spezies berücksichtigt werden.<br />
Mit der in dieser Arbeit angewandten Detektions- und Auswertetechnik sind Messungen von 2d-Verteilungen<br />
im Einzelschuß möglich. Solche Messungen wurden unter anderem an einer rußenden Flamme durchgeführt.<br />
Diese Flammen waren auf Grund der Interferenzen mit der Lichtstreuung an den Rußpartikeln bisher <strong>für</strong><br />
Temperaturmessungen mit optischen Meßtechniken nicht einfach oder gar nicht zugänglich.<br />
Durch die FRS-Technik werden auch Messungen an eingeschlossenen Meßobjekten durch die<br />
Unterdrückung des Streulichts wesentlich erleichtert, wodurch bei Untersuchungen an technisch relevanten<br />
Meßobjekten wie z.B. geschlossenen Brennkammern oder in Verbrennungsmotoren eine wesentlich höhere<br />
Seriennähe des Versuchsträgers erreicht werden kann. Die Reduktion des Streulichts von gelegentlich im<br />
Brennraum auftretenden Flüssigkeitstropfen läßt dabei auf ein großes Potential der FRS-Technik zur<br />
Untersuchung von Flüssigverbrennungen schließen.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 97.1<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Lösungsansätze<br />
(III. Tagung)<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
Essen, 18./19. März 1997<br />
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind - nach<br />
den bereits in der Vergangenheit erzielten deutlichen Reduzierungen - die Automobilhersteller und<br />
die betroffene Zulieferindustrie in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen<br />
Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen rechtzeitig zu realisieren. Neben einer<br />
Verbesserung derzeit eingesetzter Verfahren werden direkteinspritzende Brennverfahren sowohl <strong>für</strong><br />
die ottomotorische als auch <strong>für</strong> die dieselmotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen in<br />
Verbindung mit variablen Einspritzverläufen. Die zeitgerechte Umsetzung erfordert den gebündelten<br />
Einsatz aller wissenschaftlich-technischen Ressourcen unserer Gesellschaft, um die auftretenden<br />
Detailprobleme der Einzelprozesse - Einspritzung, Zerstäubung, Verdampfung, Gemischbildung,<br />
Zündung und Verbrennung - kompetent und zielorientiert angehen zu können. Sowohl<br />
experimentell-meßtechnisch als auch theoretisch-modellbildende Kapazität ist gefordert. Die zur<br />
gemeinsamen Lösung notwendigen, höchst unterschiedlichen Kompetenzen erzwingt eine<br />
Zusammenarbeit der Automobilindustrie und deren Zulieferer mit einschlägigen Forschungs- und<br />
Entwicklungseinrichtungen, die nach einem guten Start zukünftig noch vertieft werden muß.<br />
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der<br />
Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw.<br />
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung und Emissionsmeßtechnik, werden<br />
in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten<br />
Vertretern aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 347 Seiten mit 253<br />
Abbildungen wird in 21 Beiträgen von Vertretern der Motor-Industrie (BMW AG, Daimler-Benz AG,<br />
Dornier GmbH, MAN Nutzfahrzeuge AG, Mercedes-Benz AG, MTU Friedrichshafen GmbH), von<br />
Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen (Bosch GmbH, AVL List GmbH, ESYTEC GmbH, FEV<br />
Motorentechnik GmbH, IAV GmbH, Siemens AG) und von einschlägigen privaten und öffentlichen<br />
Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (Bruker-Franzen Analytik GmbH, FhG <strong>für</strong> Lasertechnik,<br />
VDI-TZ Physik. Technologien, RWTH Aachen, U Erlangen-Nürnberg, U Heidelberg, TH Karlsruhe,<br />
U Rostock) neueste Entwicklungen vorgestellt. Zusätzlich liegt (nichtgebunden) bei die Langfassung<br />
eines Beitrages zur Rußmodellierung und die schriftliche Form eines Vortrages zum Stand der<br />
Technik des DI-Ottomotors mit den Highlights einer gleichnamigen Veranstaltung der Vorwoche.<br />
Erlangen 1997
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 97.3<br />
Dipl.-Ing. Andreas Fath<br />
Charakterisierung des Strahlaufbruch-Prozesses bei der instationären Druckzerstäubung<br />
Dieser Bericht beinhaltet die Untersuchung der dieselmotorischen Hochdruckeinspritzung mit dem Ziel, den<br />
Strahlzerfall in seinen physikalischen Phänomenen besser erfassen und damit einen gezielten Einfluß auf den<br />
Zerstäubungsprozeß nehmen zu können.<br />
Die Vielzahl und Komplexität der am Zerstäubungsprozeß beteiligten Prozesse sowie die hohe Tropfendichte<br />
und die kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen stellen an die Meßtechnik extrem hohe Anforderungen. Die<br />
zur Untersuchung der Strahlausbreitung bereits häufig eingesetzte zweidimensionale Mie-Streulichttechnik<br />
wurde entsprechend diesen Anforderungen modifiziert. Mit der entwickelten Meßsonde ist es erstmals<br />
möglich, Strukturen im Inneren des Spraystrahles im Düsennahbereich lokal aufgelöst zu untersuchen.<br />
Die Grundlagen des Strahlzerfalls werden in Form einer Vorstellung und Diskussion der unterschiedlichen<br />
Strahlzerfallsmodelle erarbeitet. Zur Beurteilung der Modelle werden Untersuchungen an einer optisch<br />
zugänglichen, beheizbaren Hochdruckkammer durchgeführt. Eine Charakterisierung des Strahlzerfalls wird<br />
anhand zahlreicher Meßgrößen vorgenommen und gleichzeitig das Grundlagenwissen zum Strahlzerfall<br />
durch Untersuchungen im Düsennahbereich erweitert. Eine umfassende Parametervariation hinsichtlich des<br />
Einflusses von Einspritzdruck, Düsengeometrie, Gasdruck und -temperatur auf den Strahlzerfall über einen<br />
weiten Reynoldszahl-Bereich rundet die Untersuchungen ab.<br />
Basierend auf den Meßergebnissen wird eine Charakterisierung des Zerstäubungsprozesses vorgenommen<br />
und sowohl der Ort des Strahlzerfalls als auch der jeweils vorherrschende Aufbruchsmechanismus ermittelt.<br />
Der beobachtete Strahlzerfall wird mit den in der Literatur beschriebenen Zerfallsmodellen verglichen und<br />
darauf aufbauend ein neues Modell vorgeschlagen.<br />
Schriftenreihe Heft 97.4<br />
Dipl.-Ing. Albert Thumann<br />
Temperaturbestimmung mittels der Kohärenten-Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) unter<br />
Berücksichtigung des Druckeinflusses und nichteinheitlicher Temperaturverhältnisse im<br />
Meßvolumen<br />
In dem Bericht werden verschiedene Aufbauformen der CARS-Spektroskopie bezüglich ihrer Einsatzmöglichkeiten<br />
zur Temperaturbestimmung miteinander verglichen. Für die alleinige Bestimmung der Temperatur<br />
kamen das Vibrations-CARS-Verfahren in der punktuellen und der eindimensionalen<br />
Phasenanpassungsgeometrie und das reine Rotations-CARS-Verfahren in den Aufbauvarianten RDBC-1 und<br />
RDBC-2 zum Einsatz. Simulatan zur Temperatur wurde bei der Rotations-CARS-Technik die Genauigkeit der<br />
relativen Sauerstoff-Stickstoff-Konzentrationsbestimmung überprüft.<br />
Die Arbeit beinhaltet vergleichende Untersuchungen im Temperaturbereich zwischen 300 K und 2050 K bei<br />
Atmosphärendruck und zwischen 300 K und 700 K im Druckbereich bis 200 bar. Verschiedene semi-empirische<br />
Modelle zur Beschreibung der Änderung der Linienbreiten bei hohen Moleküldichten werden<br />
miteinander verglichen.<br />
Der Einfluß von überlagerten Signalanteilen wurde bei der Vibrations-CARS-Technik beschrieben und bei der<br />
Auswertung berücksichtigt und die Nutzbarkeit einer eindimensionalen Phasenanpassungsgeometrie zur<br />
quantitativen Temperaturbestimmung <strong>für</strong> die Vibrations-CARS-Technik demonstriert. In zwei verschiedenen<br />
Aufbauvarianten wurde die Dual-Broadband-Rotations-CARS-Technik zur simultanen Temperatur- und<br />
Konzentrationsbestimmung eingesetzt, wobei mit der RDBC-2-Aufbauform eine deutliche Erweiterung des<br />
Dynamikbereichs des Meßverfahrens möglich war.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 98.1<br />
Grundlagen und Apparate<br />
der Wärmeübertragung<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
München, 20./21. Oktober 1998<br />
Die Übertragung und Bereitstellung großer Wärmemengen bzw. deren Abfuhr ist mit teils gezielt<br />
hohen Wärmeübergangskoeffizienten in vielen technischen Anwendungen oftmals die<br />
Voraussetzung <strong>für</strong> die Realisierung eines geplanten Prozesses, was in einer entsprechend<br />
konzipierten Apparatur seinen Ausdruck finden muß. Dies fachgerecht durchzuführen, setzt die<br />
fundierte Kenntnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten, ihrer anwendungsbezogenen<br />
Formelzusammenhänge und Berechnungsgleichungen, der Minimierung von Investitions- und<br />
Verbrauchskosten (exergetisch günstige Prozeßführung), der Ablagerungsbildung und von<br />
Erfahrungen mit erfolgreich umgesetzten Apparateausführungen voraus. In diesem Band werden<br />
Grundlagen der Wärmeübertragung hinsichtlich der Nutzung von numerischen Verfahren und der<br />
Wärmeübertragung mit Phasenwechsel (Verdampfung und Kondensation) behandelt und des<br />
weiteren dann ausführlich auf den Apparat eingegangen, also der Wärmeüberträger grundlegend<br />
und in praktischer Ausführung behandelt. Dazu werden speziell industrielle Ausführungsbeispiele<br />
aus unterschiedlichen technischen Anwendungen mit Schwerpunkten in der Chemie- und<br />
Verfahrenstechnik von Referenten aus der einschlägigen Industrie vorgestellt und spezielle<br />
Probleme, z.B. in Form des Foulings, ausführlich bearbeitet.<br />
Erlangen 1998
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 99.1<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Lösungsansätze<br />
(IV. Tagung)<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
Essen, 16./17. März 1999<br />
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die<br />
Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie in besonderer Weise gefordert, die damit<br />
verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen rechtzeitig zu realisieren.<br />
Die direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl <strong>für</strong> die dieselmotorische als auch <strong>für</strong> die<br />
ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen und werden mit besonderem<br />
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung <strong>für</strong> den Pkw- und Nfz-Bereich<br />
behandelt. Als Alternativen zum Diesel- und Ottomotor werden der Gasmotor und neue<br />
Antriebskonzepte betrachtet und den konventionellen Antrieben gegenübergestellt.<br />
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der<br />
Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw.<br />
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zum Kraftstoffeinfluß und zur Abgasreinigung und<br />
Emissionsmeßtechnik werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Hausder-Technik<br />
von kompetenten Vertretern aus Industrie, Behörden und Forschungseinrichtungen<br />
behandelt. Auf 608 Seiten mit 415 Abbildungen wird in 43 Beiträgen von Vertretern der Motor-<br />
Industrie (BMW AG, DaimlerChrysler AG, MAN Nutzfahrzeuge AG, Volkswagen AG), von Zuliefer-<br />
und Meßtechnikunternehmen (AVL List GmbH, Bosch GmbH, ESYTEC GmbH, LaVision GmbH,<br />
Siemens AG), der Mineralölindustrie (Veba Oel, Neste Oy), von Behörden (Umweltbundesamt) und<br />
von einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (DLR<br />
Stuttgart, Institut Motorenbau Prof. Huber GmbH, Inst. Physik. Hochtechnologie e.V., Jena, RWTH<br />
Aachen, U Bielefeld, U Erlangen-Nürnberg, FH Hamburg, U Hannover, U Heidelberg, TH Karlsruhe,<br />
FH München, U Rostock, U Stuttgart) neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet.<br />
Erlangen 1999
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 99.2<br />
Dipl.-Phys. Friedrich Rabenstein<br />
Nutzung der spontanen Raman-Streuung zur Untersuchung<br />
technischer Verbrennungsprozesse<br />
SAE<br />
1998 Arch. T.<br />
Colwell<br />
Merit Award<br />
(<strong>für</strong> Teile der Arbeit)<br />
In dem Bericht wird die Entwicklung eines laserspektroskopischen Meßverfahrens, basierend auf der linearen Raman-<br />
Streuung vorgestellt. Aufgrund außerordentlich geringer Streuquerschnitte und daraus resultierender niedriger<br />
Signalintensitäten <strong>beim</strong> Raman-Streuprozeß ist das Verfahren besonders anfällig gegenüber Störsignalen, wie sie z.B. in<br />
Einspritzprozessen auftreten können. In der Arbeit wird eine Reihe von Maßnahmen vorgestellt, mit dem diese Störeinflüsse<br />
überwunden werden können und quantitative Untersuchungen in bisher unzugänglichen Meßobjekten, wie<br />
rußenden Flammen und Hochdruck-Einspritzprozessen möglich werden.<br />
Wesentliche Störquellen in technischen Verbrennungsprozessen sind das Flammeneigenleuchten, die laserinduzierte<br />
Inkandeszenz (LII), elastische Streuung, laserinduzierte Gasplasmen und vor allem die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF).<br />
Eine Verringerung der Störsignalintensitäten relativ zum Raman-Signal bzw. eine Abtrennung vom Meßsignal kann durch<br />
gezieltes Ausnutzen von Unterschieden im Erscheinungsbild der verschiedenen zugrundeliegenden physikalischen<br />
Prozesse erreicht werden. Einen wesentlichen Einfluß auf das erzielbare Signal/Untergrundverhältnis hat hierbei die Wahl<br />
der Anregungswellenlänge, da die Raman-Streuung und die laserinduzierten Hintergrundsignale eine deutlich<br />
unterschiedliche Anregungs- und Emissionscharakteristik aufweisen. Für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten<br />
Prozesse hat sich ein frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser als optimale Wahl erwiesen. Ein auf dieser Basis realisiertes<br />
Meßsystem konnte erfolgreich zur quantitativen Konzentrations- und Temperaturbestimmung im Verbrennungsfeld einer<br />
laminaren, teilvorgemischten CH 4/Luft-Flamme eingesetzt werden, erstmals auch in Bereichen in der Nähe der<br />
Reaktionszone, die eine deutliche Rußentwicklung zeigen.<br />
Eine weitere Abtrennung der Raman-Signale von Störeinflüssen kann durch eine polarisationsaufgelöste Detektion<br />
erreicht werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß Raman-Signale in der Regel stark polarisiert sind, während die<br />
meisten Hintergrundsignale vollständig unpolarisiert auftreten. Als erstes Anwendungsbeispiel ist der Einsatz eines<br />
Raman-Meßsystems zur quantitativen Bestimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Spraybereich eines verdampfenden<br />
Dieselstrahls dargestellt. Die Ergebnisse zeigen eindimensional ortsaufgelöst den zeitlichen Verlauf des lokalen<br />
Lambdawerts während des Einspritzprozesses. Quantitativ kann der Einfluß von Parametern, wie der Düsengeometrie,<br />
des Kraftstoffs und des Einspritzdrucks ermittelt werden. Zusätzlich lassen sich über die simultane Registrierung der<br />
Häufigkeit des Auftretens von laserinduzierten Gasplasmen, Formaldehyd- und PAH-LIF, sowie von Reaktionsprodukten<br />
weitere Aussagen über den Reaktionsverlauf unter verschiedenen Randbedingungen treffen. Durch die eindimensionale<br />
Ortsauflösung besteht weiterhin die Möglichkeit, das Auftreten von lokalen Gradienten des Luft/Kraftstoffverhältnisses im<br />
Meßvolumen zu registrieren.<br />
Schriftenreihe Heft 99.3<br />
Dipl.-Ing. Hanno Krämer<br />
Untersuchung motorischer Gemischaufbereitungs- und Verbrennungsvorgänge mit<br />
zweidimensionaler laserinduzierter Exciplexfluoreszenz (LIEF)<br />
In der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Exciplex-Tracersysteme zur phasengetrennten Untersuchung otto-<br />
und dieselmotorischer Aufgabenstellungen entwickelt und angewendet. Hierbei wurden die physikalisch-chemischen<br />
Eigenschaften der Systeme so gewählt, daß eines den mittleren Siedebereich von Ottokraftstoff und das andere den<br />
unteren Siedebereich von Dieselkraftstoff widerspiegelt. Somit repräsentieren beide Tracersysteme sehr gut das Verhalten<br />
ihrer jeweiligen Ersatzkraftstoffe (iso-Oktan und n-Dekan bzw. n-Dodekan). Damit entstanden verbesserte meßtechnische<br />
Vorgehensweisen, die in Zukunft als Werkzeuge zur Weiterentwicklung sowohl extern als auch intern gemischbildender<br />
Antriebsaggregate genutzt werden können.<br />
In der Entwicklungsphase der Tracersysteme wurde, basierend auf spektralen Voruntersuchungen, das Anregungs- und<br />
Detektionsschema <strong>für</strong> die späteren zweidimensionalen Untersuchungen festgelegt. Anschließend wurde die Dampfphase<br />
der Systeme mit den gewählten Parametern charakterisiert, so daß die direkte Nutzung der Ergebnisse in der Anwendung<br />
möglich war.<br />
In der Anwendungspraxis wurden zwei verschiedene Untersuchungstypen eingesetzt: Die Untersuchungen in einer<br />
Hochdruck-Hochtemperatur-Einspritzkammer, d.h. in einem System ohne den Einfluß äußerer Strömung und Turbulenz,<br />
konzentrierten sich auf die Erfassung der Sprayausbreitung und –verdampfung von direkteinspritzenden<br />
Gemischbildungssystemen unter möglichst einfachen und eindeutigen Umgebungsbedingungen. Umgekehrt wurden im<br />
Motor möglichst viele Teilschritte der motorischen Wirkkette von der Einspritzung bis in die Verbrennung hinein mit einem<br />
einzigen Meßsystem beobachtet, wodurch Wechselwirkungsmechanismen zwischen den verschiedenen Phasen des<br />
Motorprozesses erkannt werden konnten.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 99.4<br />
Dipl.-Ing. Erik Schünemann<br />
Experimentelle Untersuchungen zur Interaktion zwischen Einspritzstrahl und<br />
Brennraumwand bei der dieselmotorischen Einspritzung<br />
In dieser Arbeit werden die Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Brennraumwand bei der Kraftstoffeinspritzung<br />
unter den Randbedingungen kleinvolumiger DI-Dieselmotoren experimentell charakterisiert und die<br />
Auswirkungen von Gemischbildungsparametern auf die Strahl-Wand-Interaktion betrachtet. Die Untersuchungsumfänge<br />
gliedern sich auf in motorische Untersuchungen an Real- und Transparentmotor sowie in<br />
Grundlagenuntersuchungen zur Strahl-Wand-Interaktion ohne Einfluß der Ladungsbewegung in einer optisch<br />
zugänglichen Hochdruck-Hochtemperatur-Einspritzkammer. An allen Versuchsträgern wird ein PKW-<br />
Common-Rail-Einspritzsystem mit Mehrlochdüse eingesetzt und Realkraftstoff verwendet.<br />
Nach einer Darstellung der Gemischbildungsrandbedingungen aktueller kleinvolumiger DI-Dieselmotoren und<br />
des Kenntnisstandes zur Strahl-Wand-Interaktion werden die verwendeten Versuchsträger und das genutzte<br />
Einspritzsystem vorgestellt sowie die Anpassung der eingesetzten Lasermeßtechniken (Mie-Streulichttechnik,<br />
Phasen-Doppler-Anemometrie, laserinduzierte Fluoreszenz) <strong>für</strong> Messungen unter dieselmotorischen<br />
Randbedingungen beschrieben. In den motorischen Untersuchungen werden die Auswirkungen von<br />
Einspritzparametern und Muldengeometrie auf wandnahe Strahlausbreitung und resultierende<br />
Schadstoffemissionen betrachtet. Schwerpunkt der Einspritzkammermessungen ist die hochaufgelöste<br />
Visualisierung und Quantifizierung der Spraydynamik in Wandnähe. Weiterhin wird die Wandfilmausbreitung<br />
visualisiert. Aus den Meßergebnissen resultiert eine abgesicherte Modellvorstellung zur Strahl-Wand-<br />
Interaktion bei DI-Dieselmotoren mit kleinem Zylinderhubvolumen.<br />
Schriftenreihe Heft 99.5<br />
Dipl.-Ing. Michael Wensing<br />
Charakterisierung von Benzineinspritzprozessen mittels zweidimensionaler Mie-Streuung<br />
Der Bericht beschreibt Grundlagen, Meßsysteme und Anwendungen zweidimensionaler Lasermeßtechniken<br />
auf Basis der Mie-Streuung zur Untersuchung von Benzineinspritzprozessen. Beginnend mit einem Überblick<br />
der im Bereich der ottomotorischen Einspritzung auftretenden Zerstäubungsmechanismen und<br />
Sprayeigenschaften werden Methoden zur Messung und Auswertung dieser Eigenschaften von den<br />
Grundlagen der Mie-Streuung her eingeführt. Schwerpunkte in der durch kombinativen Einsatz mehrerer<br />
Methoden umfassenden Spraybeschreibung bilden die Erfassung und Quantifizierung der instationären<br />
räumlichen Sprayausbreitung, die Messung der Spraystruktur sowie eine neue Methode zur<br />
mehrdimensionalen, d.h. simultan zweidimensionalen Messung von Tropfengrößen. Die vorgestellten<br />
Meßmethoden und –systeme orientieren sich an den heute in der Saugkanaleinspritzung und der<br />
Benzindirekteinspritzung vorliegenden Sprayeigenschaften und werden konkret an Meßaufgaben aus diesen<br />
Bereichen behandelt. Geschilderte Meßbeispiele umfassen die Charakterisierung von Injektoren aus der<br />
Saugkanal- und Direkteinspritzung in ruhender Umgebung, Applikationen zur Erfassung der<br />
Sprayausbreitung innerhalb des Ansaugkanals von Serienmotoren mit minimalen optischen Zugängen sowie<br />
die Messung der Sprayausbreitung bzw. Kraftstoffverteilung im Brennraum transparenter Motoren. Bei allen<br />
beschriebenen Methoden wurde Wert auf eine weitgehend automatisierte Durchführung und Auswertung der<br />
Messungen gelegt, die <strong>für</strong> den Einsatz der beschriebenen Meßtechniken im Bereich der Motor- und Einspritzsystementwicklung<br />
unumgänglich ist. Weiterhin wurde auf eine Ähnlichkeit der verwendeten Aufbaukonfiguration<br />
geachtet, so daß eine Vielzahl von Meßaufgaben mit einem minimalen Equipment oder sogar simultan<br />
bearbeitet werden kann.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 20.1<br />
Prof. Dr.-Ing. Hans Müller-Steinhagen<br />
Modellierung der Ablagerungsbildung in Wärmeübertragern<br />
Die Ausbildung von Ablagerungen an wärmeübertragenden Flächen führt zu einem zusätzlichen Wärmeübergangswiderstand<br />
(Foulingwiderstand), der durchaus in der Größenordnung der Wärmeübergangswiderstände<br />
der reinen Fluide und der Rohrwand liegen kann. Außerdem führt dies aufgrund der Verengung des Querschnittes<br />
und der Zunahme der Rauhigkeit zu einer beträchtlichen Erhöhung des Strömungsdruckverlustes.<br />
Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die modellgestützte Optimierung der Apparatekonstruktion<br />
und des Anlagenbetriebes mit dem Ziel, die Bildung von Ablagerungen in Wärmeübertragern zu vermeiden<br />
oder zumindest zu vermindern. Dies ist jedoch nur möglich, wenn Modelle <strong>für</strong> die lokale Ablagerungsbildung<br />
mit Modellen <strong>für</strong> den gesamten Apparat oder <strong>für</strong> die gesamte Anlage kombiniert werden. Zur Formulierung<br />
dieser Modelle wird ein gewisses Verständnis der vorliegenden Ablagerungsmechanismen benötigt, das<br />
häufig nur durch systematische Labor- oder Betriebsmessungen erreicht werden kann. Eine exakte<br />
Formulierung der Gleichgewichts- und Transportansätze, die die Bildung von Ablagerungen beschreiben, ist<br />
nur in den seltensten Fällen möglich. In dieser Arbeit wird jedoch gezeigt, wie selbst mit näherungsweisen<br />
Ansätzen oder mit stark vereinfachten Annahmen noch wertvolle Ergebnisse erzielt werden können. Dabei<br />
wird eine systematische Vorgehensweise bei den Untersuchungen postuliert, die im Idealfall zu einer<br />
weitgehenden wissenschaftlichen und technischen Durchdringung des vorliegenden Ablagerungsproblemes<br />
führt. Diese Vorgehensweise wird anhand von zahlreichen theoretischen und praktischen Untersuchungen<br />
erläutert.<br />
Die vorliegende Arbeit wurde von der <strong>Technische</strong>n Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als Habilitationsschrift<br />
<strong>für</strong> das Fachgebiet <strong>Technische</strong> <strong>Thermodynamik</strong> angenommen.<br />
Schriftenreihe Heft 20.2<br />
Dipl.-Ing. Martin Schenk<br />
Simultane Temperatur- und Konzentrationsmessung in binären und ternären Gemischen<br />
mittels Rotations-CARS-Spektroskopie<br />
Diese Arbeit ist der Weiterentwicklung der Rotations-CARS Spektroskopie zur simultanen und zeitaufgelösten<br />
Temperatur- und Konzentrationsbestimmung gewidmet. Nach einer Einführung in die theoretischen und<br />
molekülspektroskopischen Grundlagen befaßt sich die Arbeit zuerst mit einem Vergleich sowie der<br />
Optimierung verschiedenster Auswertealgorithmen auf Basis des O2/N2-Systems bei 1 bar. Vergleichsaspekte<br />
waren Einzelschußgenauigkeit, Nachweisgrenze, Störunempfindlichkeit, Geschwindigkeit, u. a.. Aufbauend<br />
auf diesen Ergebnissen wurde der Untersuchungsbereich auf O2/N2-Drucksysteme (1-50 bar, 300-773 K)<br />
ausgeweitet. Schwerpunkt war neben der Einzelschußgenauigkeit besonders die Abschätzung der Nachweisgrenze<br />
<strong>für</strong> O2 im Gemisch mit N2 in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Konzentration. Um diese<br />
Nachweisgrenze zu verbessern, wurde die Option untersucht, über eine gezielte Verschiebung der<br />
Ausleselaserfrequenz in den UV-Bereich (266 nm) den CARS-Streuquerschnitt von O2 relativ zu N2 zu<br />
erhöhen.<br />
Aufgrund der großen Bedeutung des CO2-Moleküls als Verbrennungsprodukt wurden die Untersuchungen<br />
erstmalig auf CO2-Reingas, sowie N2/CO2- und O2-/CO2/N2-Gemische ausgedehnt, und die Einsatzfähigkeit<br />
von Rotations-CARS zur simultanen Temperatur- und O2/N2-, sowie CO2/N2-Konzentrationsbestimmung<br />
erfolgreich demonstriert. Dabei wurden auch die programmtechnischen Grundlagen <strong>für</strong> die Einbeziehung des<br />
Brennstoffes Acetylen gelegt. Die Zulässigkeit der <strong>für</strong> CO2 verwendeten, vereinfachenden Modelle wurde<br />
erfolgreich überprüft und ein einheitliches Bild der Abhängigkeiten der erzielbaren Genauigkeiten und<br />
Nachweisgrenzen von Druck, Temperatur und Konzentration gegeben. Signifikantestes Ergebnis war dabei<br />
die enorme Zunahme der CO2-Konzentrationsempfindlichkeit mit steigendem Druck. Die technische<br />
Anwendbarkeit wurde am Abgaskrümmer eines Otto-Serienmotors und einer turbulenten Vormischflamme<br />
demonstriert.<br />
Vorgestellt sind ferner die Erweiterung des Detektionssystems zur kombinierten Erfassung von Vibrations-und<br />
Rotations-CARS, welche die simultane Detektion von CO, N2, O2, CO2, H2, der Vibrationstemperatur TVib und<br />
der Rotationstemperatur TRot ermöglicht, sowie ein Vorschlag <strong>für</strong> ein Mehrfarbendetektionsschema (Triple-<br />
Pump-CARS), welches die simultane Aufzeichnung dreier unabhängiger Raman-Verschiebungsbereiche<br />
erlaubt und eine vergleichbar gute interne Referenzbildung bietet wie Rotations-CARS oder Dual-Pump-<br />
CARS.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 2001.1<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Lösungsansätze<br />
(V. Tagung)<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
Essen, 13./14. März 2001<br />
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die<br />
Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie nach wie vor in besonderer Weise gefordert,<br />
die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren.<br />
Die direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl <strong>für</strong> die dieselmotorische als auch <strong>für</strong> die<br />
ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen und werden mit besonderem<br />
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung <strong>für</strong> den Pkw- und Nfz-Bereich, so<br />
auch der Wirkung einer Einspritzverlaufsformung, bzw. de Benzineinspritzung behandelt, wobei<br />
letztere hinsichtlich des Brennverfahrens (luft-, strahl- oder wandgeführt) und attraktiver Alternativen,<br />
z.B. dem variablen Ventiltrieb, noch in einem recht frühen Entwicklungsstadium steht. Als<br />
alternative Techniken werden der Dampfmotor als Zero Emission Engine und die<br />
Wasserstofftechnologie (Brennstoffzelle und H2-Motor) behandelt. Übergeordnetes<br />
Querschnittsthema stellen dabei die motorischen Partikel dar.<br />
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der<br />
Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw.<br />
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung werden in diesem Berichtsband<br />
einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie<br />
und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 620 Seiten mit über 570 Abbildungen wird in 48<br />
Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie (BMW AG, DaimlerChrysler AG, DEUTZ AG, Ford<br />
AG, MAN Nutzfahrzeuge AG und Volkswagen AG), sowie von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen<br />
(AVL List GmbH, Bosch GmbH, Cosworth Technology, ESYTEC GmbH, FEV<br />
GmbH, META GmbH, NGK Europe GmbH, Dr. Schrick GmbH und Siemens AG) und von<br />
einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen neueste Entwicklungen<br />
vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen CONCAWE<br />
Brüssel/Belgien, HTW Dresden, IAV Berlin, IMH München, Instituto Motori Neapel/Italien, Lund Inst.<br />
Technology/Schweden, Inst. Niedertemperatur-Plasmaphysik Greifswald, Inst. Umwelttechnologien<br />
GmbH Adlershof, RWTH Aachen, TU Braunschweig, U Erlangen, U Hannover, U Heidelberg, U<br />
Karlsruhe, U L’Aquila/Italien, U College London/GB, TU München, U Stuttgart und U Wisconsin-<br />
Madison/USA).<br />
Erlangen 2001
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 1.2<br />
Dipl.-Phys. Joachim Jonuscheit<br />
Simultane zeit- und ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur und des Brennstoff-Luft-<br />
Verhältnisses mittels der Kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS)<br />
In dem vorliegenden Bericht wurden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Temperatur und des<br />
Brennstoff-Luft-Verhältnisses mittels kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) entwickelt und<br />
angewandt. Für die gleichzeitige Erfassung von Kohlenwasserstoffen, welche in vielen Fällen als Brennstoff<br />
dienen, und Sauerstoff als verbrennungstechnisch wichtigste Luftkomponente kamen die reine<br />
Rotations-CARS-, die reine Vibrations-CARS- sowie eine kombinierte Rotations- und Vibrations-CARS-<br />
Technik zum Einsatz. Neben den zweiatomigen Molekülen Sauerstoff und Stickstoff wurden Schwefeldioxid,<br />
Ethen und Methan als Vertreter mehratomiger Moleküle theoretisch und experimentell untersucht.<br />
In der Entwicklungsphase wurden die verschiedenen Methoden mittels Kalibriergasen bei unterschiedlichen<br />
Temperaturen und Drücken untersucht. Reines Schwefeldioxid und Ethen wurden eingesetzt, um experimentell<br />
ermittelte Spektren mit theoretisch berechneten Spektren vergleichen zu können. Für Kalibriermessungen<br />
wurden Ethen-Luft- und Methan-Luft-Mischungen mit verbrennungsrelevanten Gaszusammensetzungen verwendet.<br />
Als Anwendungsobjekte wurden zwei unterschiedliche atmosphärische Brenner untersucht. In beiden Fällen<br />
wurden vorgemischte Brenngase zugeführt, welche auf Grund ihrer Zusammensetzung eine starke Rußbildung<br />
zur Folge haben. Während die Ethen-Luft-Flamme des Bunsen-Brenners sowohl Temperatur- und Konzentrationsgradienten<br />
in Strömungs- und radialer Richtung aufweist, zeigt die Methan-Luft-Flamme des<br />
McKenna-Brenners nur Gradienten in Strömungsrichtung.<br />
Schriftenreihe Heft 1.3<br />
Dipl.-Ing. K.H. Choi<br />
Gezielte Einstellung und wärmetechnische Charakterisierung der Tropfenkondensation auf<br />
ionenimplantierten Oberflächen<br />
In dieser Arbeit wurde eine neue Methode <strong>für</strong> die langzeitige Erzielung von Tropfenkondensation auf<br />
metallischen Oberflächen vorgestellt. Auf Basis thermodynamischer Betrachtungen des<br />
Kondensationsvorgangs erlauben die theoretischen Resultate eine Voraussage über die unvollständige<br />
Benetzung mittels Ionenimplantation und der da<strong>für</strong> notwendigen Mindestdosis [Anzahl der Ionen / Fläche].<br />
Diese bezifferte Dosis ist so gering, daß man nicht von einer Beschichtung sprechen kann. Um die Richtigkeit<br />
der Voraussagen experimentell nachzuweisen, wurden zwei Anlagen konzipiert, darunter eine, in der<br />
gleichzeitig 20 Metallproben auf ihre unvollständige Benetzung und auf Langzeitstabilität überprüft wurden.<br />
Einige Proben wurden so nun seit über zwei Jahren auf ihre unvollständige Benetzbarkeit erfolgreich getestet.<br />
Um quantitative Aussagen über die erzielbaren Wärmeübergangskoeffizienten zu treffen, wurde eine weitere<br />
Anlage konzipiert, mit der über systematische Variationen der Einflußgrößen Dampfreinheit,<br />
Oberflächenrauhigkeit des Basismaterials, Höhe der Ionendosis, Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials,<br />
Dampfüberdruck und Unterkühlung eine bis zu 17-fache Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten im<br />
Vergleich zur Filmkondensation entsprechend der Nußelt-Theorie erzielt werden konnte.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz ___BEV<br />
Schriftenreihe Heft 1.4<br />
Dr. rer. nat. Friedrich Dinkelacker<br />
Struktur turbulenter Vormischflammen<br />
Eines der grundlegenden Themen der Verbrennungstechnik ist die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und<br />
Reaktion in turbulenten Flammen. Gerade bei hohen Turbulenzintensitäten, wie sie in Motoren, Gasturbinen<br />
oder Industriefeuerungen auftreten, wurden seit 60 Jahren verschiedenste Modellansätze kontrovers diskutiert.<br />
Besonders <strong>für</strong> turbulente Vormischflammen waren Messungen lange Zeit nur sehr eingeschränkt und<br />
indirekt möglich, weil die Flammenfront hier dünner als ein Millimeter sein kann und sehr starke räumliche<br />
Fluktuationen im Turbulenzfeld aufweist. Wesentliche Fortschritte sind nun durch planare und dreidimensionale<br />
Lasermesstechniken möglich geworden, die berührungsfrei sind und eine hinreichend aufgelöste<br />
räumliche und zeitliche Erfassung der direkten Struktur turbulenter Flammen erlauben.<br />
In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen verschiedener Arbeitsgruppen zur turbulenten<br />
Flammenstruktur auf eine vergleichbare Ebene gebracht und im Zusammenhang mit den unterschiedlichen<br />
Modellansätzen diskutiert. Es zeigt sich, dass in früheren Modellen die Bedeutung der kleinskaligen<br />
Kolmogorov-Wirbel auf die Flammenstruktur deutlich überschätzt wurde. Als Begründung wird zum einen der<br />
stark temperaturabhängige Viskositätseinfluss auf die Dissipation der kleinsten Wirbel angeführt, zum<br />
anderen aber die starke Lokalisierung dieser kleinskaligen Turbulenzstrukturen. Dagegen zeigt sich ein deutlicher<br />
Streckungseinfluss durch lokale Strömungsgradienten auf die Flammenfrontstruktur. Dieser<br />
Streckungseinfluss führt entgegen den theoretisch erwarteten verdickten Flammenfronten brennstoffabhängig<br />
teilweise sogar zu dünneren Flammenfronten. Eine Neubewertung der physikalischen Modellvorstellungen<br />
führt zu einem modifizierten Bereichsdiagramm <strong>für</strong> turbulente Vormischflammen.<br />
Die vorliegende Arbeit wurde von der <strong>Technische</strong>n Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als<br />
Habilitationsschrift <strong>für</strong> das Fachgebiet <strong>Technische</strong> <strong>Thermodynamik</strong> angenommen.<br />
Schriftenreihe Heft 1.5<br />
Dipl.-Ing. Armin Soika<br />
Laseroptische Untersuchungen zum Einfluss<br />
des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen<br />
Promotionspreis 2002<br />
der<br />
<strong>Technische</strong>n Fakultät<br />
Universität Erlangen-Nürnberg<br />
Die Verbrennung fossiler Energieträger erfolgt meist in Hochdruckbrennkammern mit stark turbulenter<br />
Strömung. Vor allem die verbesserte Stabilität turbulenter Vormischflammen und die erhöhte chemische<br />
Reaktivität bei Drucksteigerung ermöglichen bei weiterer Prozessoptimierung die Einhaltung zukünftiger<br />
Emissionsauflagen. Wegen des erhöhten experimentellen Aufwandes sowie der Komplexizität der<br />
numerischen Beschreibung ist diese Art der Verbrennungsführung bislang jedoch nur wenig untersucht worden<br />
mit demzufolge fehlendem Verständnis des Reaktionsablaufes.<br />
Um den Einfluss des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen unter Einsatz planarer Lasermessmethoden<br />
quantitativ zu erfassen, wurde ein optisch zugänglicher Hochdruckbrennkammer-Prüfstand<br />
aufgebaut. Die Konstruktion der Versuchsanlage sowie die Grundlagen der angewandten Rayleigh-Streuung<br />
und laserinduzierten Fluoreszenz werden beschrieben. Neben der Diskussion globaler Flammenphänomene<br />
bei Drucksteigerung auf 10 bar stand die experimentelle Bestimmung der Flammenfrontkrümmung<br />
gasturbinentypischer Verbrennungsprozesse im Vordergrund. Um mögliche Mechanismen der verstärkten<br />
Flammenfrontauffaltung bewerten zu können, wurde das turbulente Strömungsfeld vermessen und die<br />
Reaktionskinetik der Methan/Luft-Verbrennung mit CHEMKIN simuliert. Es zeigt sich, dass die abnehmende<br />
Faltungslänge der Flammenfront eine ähnliche Druckentwicklung wie die Taylor-Wirbelskalen besitzt. Als ein<br />
Indiz <strong>für</strong> den zunehmenden Einfluss der Reaktionskinetik bei Hochdruckverbrennungsprozessen wird die gute<br />
Übereinstimmung der Krümmungscharakteristik mit der durch lineare Analyse abgeleiteten Flammeninstabilität<br />
in Trend und Stöchiometrieverhalten gewertet.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 1.6<br />
Dipl.-Phys. Stephan Schraml<br />
Innovationspreis Lasertechnologie 2001<br />
Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik zur Rußdiagnostik dieselmotorischer<br />
Verbrennungsprozesse<br />
Im Mittelpunkt dieses Berichtes steht die Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik (LII) an motorischen<br />
Verbrennungssystemen in verschiedenen Ausführungsvarianten. Dabei wird das zum Einsatz kommende<br />
laseroptische Verfahren zunächst detailliert dargestellt und in Bezug auf die technische Applikation weiterentwickelt.<br />
Hierbei werden vielfältige Möglichkeiten aufgezeigt und Messstrategien entwickelt, die das gesamte<br />
Anwendungsspektrum von innermotorischen Grundlagenuntersuchungen bis hin zum standardisierten<br />
Einsatz als Abgasmesstechnik abdecken. Neben der Rußmassenkonzentration wird hierbei insbesondere<br />
auch die Primärteilchengröße, die die Oberflächenemission des Motors beschreibt, als zusätzliche<br />
Messgröße mit einbezogen.<br />
Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnten vielfältige aktuelle Fragestellungen zur Dieselrußemission<br />
bearbeitet werden. Bei zweidimensional abbildenden Untersuchungen innerhalb des Brennraums eines<br />
Common-Rail-Dieselmotors konnten beispielsweise der Einfluss verschiedener Einspritzdüsengeometrien auf<br />
die Rußbildung sowie das zeitliche Verhalten der Rußmassenkonzentration untersucht werden. Mit dem <strong>für</strong><br />
den Abgasbereich vorgestellten kompakten Sensor konnten weiterhin Einflüsse von Drehzahl, Last, Einspritz-<br />
und Ladedruck, Kraftstoff und transienten Lastwechseln auf verschiedene Kenngrößen des Abgasrußes aufgedeckt<br />
werden.<br />
Schriftenreihe Heft 1.7<br />
Dipl.-Ing. Thomas Hubner<br />
Simultane Bestimmung von Feststoffdichte, Korngröße und Partikelform mittels<br />
laseroptischer Sedimentationsverfahren<br />
In diesem Bericht werden neuartige Sedimentationsmesstechniken zur simultanen Bestimmung mehrerer<br />
Partikelmerkmale vorgestellt. Die Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße stellen zentrale<br />
Kenngrößen von heterogenen Partikelkollektiven, insbesondere des Umweltmediums Boden, dar. Sie<br />
ermöglichen wertvolle Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des<br />
Bodens, beispielsweise das Adsorptionsvermögen, die Kompaktierbarkeit, die Fähigkeit zur<br />
Feuchtigkeitsaufnahme, das Wasserrückhaltevermögen oder die hydraulische Leitfähigkeit. Bei der<br />
Bodenreinigung ist die Kenntnis der Verteilungen von Korngröße und Feststoffdichte bedeutsam, da<br />
einerseits der Schadstoffgehalt mit der Feststoffdichte und Korngröße korreliert und andererseits viele<br />
verfahrenstechnische Dekontaminationsprozesse, insbesondere Klassier- bzw. Sortierprozesse, auf<br />
unterschiedlichen Korngrößen und Feststoffdichten des Aufgabegutes beruhen.<br />
Die physikalischen Grundlagen von laserbasierten Sedimentationsverfahren zur simultanen Bestimmung der<br />
Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße werden in diesem Bericht expliziert dargestellt. Dabei werden<br />
mit der Kombination der beiden Korngrößenmesstechniken Photosedimentation und Laserbeugung sowie der<br />
Sedimentationsanalyse mittels digitaler Bildverarbeitung zwei alternative, auf unterschiedlichen<br />
Partikelmerkmalen beruhende Messverfahren vorgestellt, wobei letzteres zusätzlichen Informationsgewinn<br />
über die Partikelform ermöglicht. Die Berechnungsmodelle zur Ermittlung der Feststoffdichte unter<br />
Einbeziehung des Strömungszustandes sowie der Partikelform werden umfassend erläutert und anhand von<br />
Simulationsrechnungen verifiziert. Experimentell wurden die Untersuchungen in modularen und kompakten<br />
Instrumenten durchgeführt, wobei bis auf die Laserbeugung Eigenentwicklungen verwendet wurden. Der<br />
Aufbau und die Funktionsweise dieser Instrumente sowie der verwendeten optischen Messtechniken wird<br />
detailliert dargestellt. Resultate von experimentellen Untersuchungen an homogenen Materialien, darunter<br />
zertifizierte Referenzmaterialien, an heterogenen Partikelkollektiven sowie an verschiedenen Bodenarten<br />
werden dargestellt. Eine explizite Fehlerfortpflanzungsanalyse zeigt die Möglichkeiten und Limitationen dieser<br />
Messverfahren zum jetzigen Zeitpunkt auf.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 2.1<br />
Dipl.-Phys. Andreas Paul Fröba<br />
Simultane Bestimmung von Viskosität und<br />
Oberflächenspannung transparenter Fluide<br />
mittels Oberflächenlichtstreuung<br />
Staedtler-Promotionspreis 2002<br />
DKV-Nachwuchsförderpreis <strong>für</strong><br />
herausragende<br />
wissenschaftliche Arbeiten 2003<br />
Bereits seit Einführung des Lasers in den 60‘er Jahren existiert der Wunsch, neben dem vorhandenen zahlreichen<br />
Ensemble konventioneller Messmethoden zur Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung<br />
die Methode der Oberflächenlichtstreuung (Surface Light Scattering, SLS) zu etablieren. Zwar zeigen frühe<br />
Arbeiten der klassischen Hydrodynamik und der frequenzauflösenden Spektroskopie auf, dass die Viskosität<br />
und, bei bekannter Dichte, simultan die Oberflächenspannung aus der spektralen Verteilung des an der<br />
Grenzfläche zwischen zwei Phasen gestreuten Lichtes bestimmt werden kann, jedoch scheiterte bislang<br />
selbst <strong>für</strong> einfache fluide Ober- bzw. Grenzflächen die standardmäßige Anwendung der Methode aufgrund<br />
einer unzureichenden Genauigkeit.<br />
In dieser Arbeit wurde nun erstmals eine Verfahrensweise <strong>für</strong> die Methode der Oberflächenlichtstreuung entwickelt,<br />
mit der eine simultane Erfassung von Viskosität und Oberflächenspannung mit hoher<br />
Messgenauigkeit - in vielen Fällen besser als 1 % <strong>für</strong> beide Größen - ermöglicht wird. Im Vordergrund<br />
standen dabei Fragen möglicher Einflüsse einer Beschreibung der Arbeitsgleichungen in Näherung, einer<br />
optimierten Konzeption der laseroptischen Messanordnung und der Anwendbarkeit der Methode auf<br />
verschiedene Proben über einen weiten Zustands- und Viskositätsbereich (10 µPas – 10 Pas). Hieraus wird<br />
deutlich, dass mit der Methode der Oberflächenlichtstreuung vergleichsweise einfach ein großer Messbereich<br />
realisiert werden kann, der den bisheriger Untersuchungen mit konventionellen Methoden übersteigt. Eine<br />
Erweiterung des Anwendungsspektrums ist möglich und überdeckt die gesamte Breite verschiedenster Fluide<br />
bis hin zu hochviskosen Schmelzen.<br />
Zusammenfassend stellt die Oberflächenlichtstreuung im Hinblick auf eine standardmäßige und genaue Bestimmung<br />
von Viskosität und Oberflächenspannung ein nun erprobtes Messverfahren dar. Ein vielversprechender<br />
Einsatz der im Rahmen der Arbeit entwickelten innovativen Verfahrensweise ergibt sich<br />
beispielsweise in deren direkten Fortführung bzw. Übertragung bei der Realisierung von Geräten zur jeweils<br />
getrennten oder auch simultanen Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung.<br />
Schriftenreihe Heft 2.2<br />
Dipl.-Ing. Christian Fettes<br />
Untersuchungen zur Common-Rail-Einspritzung <strong>für</strong> PKW-Dieselmotoren mittels<br />
kombinativer Applikation optischer Messmethoden<br />
In dieser Arbeit werden Eigenschaften der Common-Rail-Einspritzung <strong>für</strong> PKW-Dieselmotoren mittels<br />
experimenteller Untersuchungen an einem Einzylinder-Transparentmotor unter Berücksichtigung der<br />
innermotorischen Wirkkette von Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung, Zündung und Verbrennung<br />
analysiert. Hierzu kommt eine geeignete Kombination von örtlich und zeitlich hochauflösenden optischen<br />
Messverfahren zum Einsatz.<br />
Nach einer Darstellung der aktuell im Motorenbau relevanten Einspritzverfahren und des mittels optischer<br />
Messverfahren definierten Kenntnisstandes zum Ablauf des dieselmotorischen Prozesses werden geeignete<br />
Verfahren miteinander kombiniert, um die teilweise gleichzeitig ablaufenden innermotorischen Phänomene<br />
simultan visualisieren zu können. Versuchsträger, Messverfahren und eingesetzte Einspritzhardware werden<br />
detailliert charakterisiert. Anhand von verschiedenen Parametervariationen, die sich auf Untersuchungen zur<br />
Düsen-Spritzlochgeometrie, zum Raildruck- und Verdichtungsenddruck-Einfluss sowie zum Einsatz einer<br />
Voreinspritzung beziehen, wird ein Modell <strong>für</strong> den optimierten Ablauf des innermotorischen Prozesses <strong>für</strong><br />
PKW-Dieselmotoren abgeleitet.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 3.1<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Lösungsansätze<br />
(VI. Tagung)<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
München, 18./19. März 2003<br />
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die<br />
Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie nach wie vor in besonderer Weise gefordert,<br />
die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren.<br />
Die direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl <strong>für</strong> die dieselmotorische als auch <strong>für</strong> die<br />
ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen und werden mit besonderem<br />
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung <strong>für</strong> den Pkw- und Nfz-Bereich bzw.<br />
die Benzindirekteinspritzung behandelt. Attraktive Alternativen werden aufgezeigt, wie z.B. der<br />
variable Ventiltrieb oder der Gasmotor, letzterer in einer eigenen Sitzung. Übergeordnetes<br />
Querschnittsthema stellen auch dieses Jahr wieder die motorischen Partikel dar.<br />
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der<br />
Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw.<br />
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung werden in diesem Berichtsband<br />
einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie<br />
und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 520 Seiten mit über 430 Abbildungen wird in 42<br />
Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie (AUDI AG, BMW AG, Caterpillar GmbH,<br />
DaimlerChrysler AG, Ford AG, GM Opel Powertrain GmbH, Hatz GmbH, MAN Nutzfahrzeuge AG<br />
und Volkswagen AG), sowie von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen (AVL List GmbH, Bosch<br />
GmbH, Delphi Coop./Luxemburg, ESYTEC GmbH, EilringKlinger GmbH, FEV GmbH, Mann +<br />
Hummel GmbH, META GmbH, NGK Europe GmbH und Siemens VDO Automotive AG) und von<br />
einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen neueste Entwicklungen<br />
vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen EMPA<br />
Dübendorf/Schweiz, Engineering Center Steyr GmbH St. Valentin/Österreich, ETH Zürich/Schweiz,<br />
IAV Berlin, Institute of Petroleum Processing Krakau/Polen, Instituto Motori Neapel/Italien, Inst.<br />
Physikalische Hochtechnologie Jena, Montan Univ. Leoben/Österreich, RWTH Aachen, RWTÜV<br />
Fahrzeug GmbH, TU Graz, U Erlangen, U Hannover, U Heidelberg, U Karlsruhe, U Rostock und U<br />
Stuttgart.<br />
Erlangen 2003
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 3.2<br />
Dipl.-Ing. Wolfgang Timm<br />
Modellierung des Wärmeübergangs auf der Kühlstrecke von Warmwalzstraßen<br />
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Modelle zur Berechnung des Wärmeübergangs auf Kühlstrecken<br />
von Warmwalzstraßen entwickelt, die in der Steuerungssoftware von derartigen Anlagen zum Einsatz<br />
kommen. Die Abkühlung von glühenden Stahlbändern wird mittels kalter Wasserstrahlen realisiert, wobei<br />
Wärmestromdichten von mehr als 10 MW/m² auftreten. Zur Modellierung wurde sowohl ein thermodynamisch<br />
fundiertes Modell als auch ein statistischer Ansatz erstellt.<br />
Letzterer ist zur softwaretechnischen Bewältigung der Betriebsbedingungen einer realen Anlage erforderlich.<br />
Er wurde aus der Analyse von Betriebsdaten abgeleitet, indem der Modellfehler bei der Berechnung der<br />
Endtemperaturen von mehreren Tausend Bändern mit Messdaten verglichen und durch Optimierung der<br />
zugehörigen Parameter sukzessive verringert wurde. Aus der Analyse ergab sich, dass die<br />
Wassertemperatur einen starken Einfluss auf die Kühlleistung hat, wohingegen die Geschwindigkeit des<br />
Stahlbandes kein wesentlicher Faktor ist. Diese Beobachtungen wurden bei der Aufstellung eines<br />
thermodynamischen Modells berücksichtigt, das zur Vorinitialisierung der Parameter des statistischen Modells<br />
verwendet wird.<br />
Die Lösungen der bestimmenden Transportgleichungen wurden mit Hilfe der Grenzschichttheorie erhalten.<br />
Hierzu wurde ein Turbulenzmodell entwickelt, das die Auswirkungen der Siede- und Kondensationsvorgänge<br />
auf den Wärmeübergang und das Strömungsprofil an der Kontaktfläche zwischen Stahl und Wasser<br />
beschreibt. Es konnte eine gute Übereinstimmung zwischen dem theoretischen Modell und den Ergebnissen<br />
der Betriebsdatenauswertung erzielt werden.<br />
Schriftenreihe Heft 3.3<br />
Dipl.-Phys. Eberhard Kull<br />
Einfluss der Geometrie des Spritzlochs von Dieseleinspritzdüsen auf das Einspritzverhalten<br />
Im Rahmen der Arbeit wird der Einfluss, den die Geometrie eines Spritzlochs auf Kavitation und Massenstrom<br />
hat, aufgezeigt. Dies geschieht an Hand von Messungen an optisch zugänglichen zweidimensionalen<br />
Spritzlochmodellen. Es werden Messungen der Einzelstrahlmengenverteilung an realen<br />
Dieselmehrlochdüsen mit asymmetrischer Spritzlochkonfiguration vorgestellt. Ein Vergleich der<br />
Einzelstrahlmengen mit der Strahlbildsymmetrie wird durchgeführt. Hierbei werden Faktoren, die die<br />
Strahlbildsymmetrie bei Sitzlochdüsen auf Common-Rail-Systemen beeinflussen, dargestellt.<br />
Bei den Messungen an zweidimensionalen Spritzlochmodellen werden folgende Geometrieparameter variiert:<br />
Einlaufverrundung, Konizität der Bohrung, Durchmesser, Spritzlochlänge, Anströmwinkel und<br />
Bohrungswinkel. Immer wird das Kavitationsverhalten optisch visualisiert sowie der Massenstrom gemessen.<br />
Es können klare Aussagen über die Wirkung einer Geometrieänderung auf den Massenstrom bei nicht<br />
kavitierender und kavitierender Strömung gemacht werden. Das Druckverhältnis von Vordruck zu<br />
Gegendruck, bei dem die Geometrie zu sperren beginnt, d.h. der Massenstrom nicht mehr vom Gegendruck<br />
abhängt, wird bestimmt.<br />
Ein Messsystem <strong>für</strong> die Bestimmung der Einzelstrahlmengen von Mehrlocheinspritzdüsen wird beschrieben.<br />
Hiermit werden sowohl stationäre Messungen der Einzelstrahlmengenverteilung bei 10 MPa sowie<br />
Messungen am Injektor bei realen Einspritzdrücken durchgeführt. Der Einsatz von Einspritzdüsen mit<br />
asymmetrischer Spritzlochkonfiguration <strong>für</strong> einen Zweiventilmotor zeigt, dass der Haupteinflussfaktor auf die<br />
Einzelstrahlmengenverteilung der Spritzlochhöhenwinkel ist.<br />
Beim Vergleich der Einzelstrahlmengenverteilung mit der Einspritzstrahlausbreitung zeigt sich, dass bei<br />
symmetrischer Strahlausbreitung auch bei Injektormessungen der Höhenwinkeleinfluss Haupteinflussfaktor<br />
ist. Wird eine Sitzlochdüse mit asymmetrischem Strahlbild auf einem Common-Rail-Injektor untersucht, so<br />
zeigt sich, dass abhängig von der Ansteuerdauer des Injektors der Einfluss der Strahlbildasymmetrie auf die<br />
Einzelstrahlmengenverteilung mehr oder weniger stark den Höhenwinkeleinfluss überdeckt.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 4.1<br />
Dipl.-Ing. Corren Heimgärtner<br />
Die laserinduzierte Glühtechnik als quantitatives Messverfahren zur Charakterisierung der<br />
Rußemissionen im Abgas von Verbrennungsmotoren<br />
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz der laserinduzierten Glühtechnik als quantitatives<br />
Messverfahren zur Charakterisierung der Rußemissionen im Abgas von Verbrennungsmotoren beschrieben.<br />
Nach der theoretischen Ableitung der <strong>für</strong> die Arbeit zugrundeliegenden Modellierung wird der Aufbau eines<br />
Sensors auf Basis dieser Messtechnik beschrieben. Anhand zahlreicher Beispiele aus dem Bereich der<br />
Motor- und Fahrzeugzertifizierung werden die Einsatzmöglichkeiten des LI²SA-Sensors dargestellt.<br />
Im Zentrum der Untersuchungen stand die Korrelation und Verifizierung der mittels des LI²SA-Sensors<br />
gemessenen Rußmassenkonzentration zur Gravimetrie und Coulometrie etc. Soweit möglich wurde die vom<br />
Sensor gemessene Primärpartikelgröße mit elektronmikroskopischen Aufnahmen verglichen.<br />
Die dazu notwendigen Versuche wurden an einer Vielzahl von modernen Pkws und<br />
Nutzfahrzeugdieselmotoren am Rollen- und Motorenprüfstand durchgeführt, die teilweise mit modernen<br />
Abgasnachbehandlungssystemen wie beispielsweise SCR-Katalysatoren und Partikelfiltersystemen<br />
ausgestattet waren. Die Möglichkeiten mittels des L²ISA-Sensors diese hocheffektiven<br />
Partikelabscheidesysteme zuverlässig zu bewerten, und zu optimieren, werden auführlich beschrieben.<br />
Weiterhin wurden grundlegende Versuche und zur Partikeloptimierung an modernen Dieselmotoren mittels<br />
Common-Rail-Einspritztechnik durchgeführt. Die Einflüsse von Einspritzbeginn, -druck, -zeitpunkt und die<br />
Möglichkeiten mittels Vor- und Nacheinspritzung die Partikelemissionen zu minimieren, konnten aufgrund der<br />
hohen Empfindlichkeit und Zeitauflösung des Systems sehr genau quantifiziert werden.<br />
Schriftenreihe Heft 4.2<br />
Dipl.-Phys. Stefan Dankers<br />
Einsatz der Laserinduzierten Glühtechnik zur Charakterisierung von Nanopartikeln unter<br />
produktionsnahen Bedingungen<br />
Für die Bestimmung der Primärteilchengröße von Nanopartikeln wird im Rahmen dieser Arbeit die<br />
laserinduzierte Glühtechnik (Laser-Induced Incandescence - LII) eingesetzt. Die Anwendbarkeit der Technik<br />
auf Industrieruße wird in Laboruntersuchungen an redispergierten Pulvern nachgewiesen. Die Ergebnisse<br />
korrelieren dabei mit nur geringen systematischen Abweichungen mit denen aus<br />
Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Analysen. Die Applikation von LII an diversen<br />
Industrierußproduktionsreaktoren verdeutlicht auch die Eignung der Methode zur Online-Prozesskontrolle.<br />
Weiterhin wird eine Auswertestrategie zur schnellen und aussagekräftigen Rekonstruktion von<br />
Primärpartikelgrößenverteilungen entwickelt, die auf der Tatsache beruht, dass sich während der Abkühlung<br />
der mit dem Laser aufgeheizten Partikel die Gewichtung der Beiträge einzelner Partikelgrößenklassen zum<br />
thermischen Strahlungssignal ändert. Die Auswertung des LII-Signals in zwei oder mehr Zeitbereichen kann<br />
höhere Momente der Teilchengrößenverteilung liefern. Die Vergleiche der ermittelten Primärteilchengrößenverteilungen<br />
aus verschiedenen Industrierußreaktoren und aus motorischem Abgas mit TEM-Analysen<br />
zeigen größtenteils eine sehr gute Übereinstimmung. Außerdem wird die LII auf Partikelsyntheseprozesse<br />
anderer Stoffsysteme, wie Zirkonoxid-, Titandioxid-, Silber- und Kupferpartikeln, angewendet. Die viel<br />
versprechenden Ergebnisse dieser Messungen zeigen das Potential zur Charakterisierung dieser Materialien.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 4.3<br />
Dipl.-Ing. Jan Egermann<br />
Einsatz der linearen Raman-Streuung zur Analyse der Gemischbildung direkteinspritzender<br />
Ottomotoren<br />
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Applikation der Raman-Meßtechnik zur Untersuchung des<br />
Verdampfungs- und Gemischbildungsprozesses moderner direkteinspritzender Otto-Motoren. Wesentlich <strong>für</strong><br />
den erfolgreichen Einsatz der Messtechnik in diesem Anwendungsgebiet ist eine Minimierung der<br />
auftretenden Signalbeeinflussungen, da der Raman-Prozeß nur eine sehr geringe Signalstärke aufweist. Den<br />
möglichen auftretenden Störquellen <strong>beim</strong> Einsatz der Meßtechnik zur Untersuchung motorischer Prozesse<br />
wurde im Rahmen dieser Arbeit daher besondere Aufmerksamkeit gewidmet und Maßnahmen zu deren<br />
Vermeidung dargestellt. Das sich bietende hohe Potential der Meßtechnik zur Analyse von<br />
Verdampfungsvorgängen wird anhand von Untersuchungen typischer BDE-Injektoren in einer Hochdruck-<br />
Hochtemperatureinspritzkammer unter motorähnlichen Versuchsrandbedingungen sowie auch am Beispiel<br />
der Studie der erzielbaren Ladungsverteilung in einem optisch zugänglichen BDE-Forschungsmotor im<br />
Homogen- wie auch im Schichtladebetrieb dargestellt. Neben dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis bietet die Raman-<br />
Meßtechnik bei motorischen Anwendungen zusätzlich den simultanen Zugang zur Erfassung des<br />
Restgasgehaltes. Somit können zwei wichtige Schlüsselgrößen, die den Entflammungs- und<br />
Verbrennungsvorgang sowie die Schadstoffbildung beeinflussen, gemeinsam aufgezeichnet werden. Eine<br />
Kombination dieser Meßdaten mit Ergebnissen der Motorindizierung erlaubt eine detaillierte Untersuchung<br />
des Motorlaufverhaltens. Aufgrund der geringen Signalbeeinflussung durch die Umgebungsbedingungen ist<br />
die Raman-Streuung zudem hervorragend zur In-situ-Validierung anderer optischer Meßverfahren, wie z.B.<br />
der LIF, geeignet. Beide Meßtechniken wurden im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich an einen<br />
Transparentmotor adaptiert. Simultan mit beiden Messtechniken durchgeführte Untersuchungen der<br />
Gemischbildung unter Variation der Motorbetriebspunkte zeigten eine gute Übereinstimmung der Resultate<br />
beider Meßverfahren.<br />
Schriftenreihe Heft 4.4<br />
Dipl.-Ing. Wolfgang Ipp<br />
Analyse der Kraftstoffverteilung bei der Benzindirekteinspritzung (BDE) mit laseroptischen<br />
Meßverfahren<br />
Im Rahmen der Arbeit wurden mehrdimensionale, berührungslos arbeitende, laseroptische Meßmethoden<br />
eingesetzt, um die Gemischbildung in einem Transparentmotor mit Benzin-Direkteinspritzung (BDE) qualitativ<br />
und quantitativ zu beschreiben. Die Visualisierung der Tropfenverteilung mit der Mie-Streulichttechnik<br />
unterstreicht die Empfindlichkeit des Kraftstoffsprays bezüglich geringfügiger Variationen der beteiligten<br />
Parameter und damit letztlich die Kraftstoffverteilung zum Zündzeitpunkt.<br />
Schwerpunkt der Arbeit war die Weiterentwicklung der laserinduzierten Fluoreszenztechnik mit dem Ziel der<br />
möglichst guten Interpretierbarkeit des Luftverhältnisses im Brennraum. Besonderer Wert wurde auf die<br />
einfache Einsetzbarkeit der Meßtechnik im Hinblick auf eine breite Akzeptanz <strong>für</strong> eine industrielle Anwendung<br />
gelegt. Die Vielzahl und wechselnde Zusammensetzung der in handelsüblichem Kraftstoff enthaltenen<br />
Komponenten mit deren spezifischen Fluoreszenz- und Absorptionseigenschaften stehen einer<br />
Signalquantifizierung grundsätzlich entgegen, weshalb ein Ersatzkraftstoff bestehend aus Isooktan, versetzt<br />
mit den Fluoreszenzfarbstoffen Triethylamin und Benzol, verwendet werden mußte. Mit dessen speziellen<br />
Eigenschaften wurde auf Basis der laserinduzierten Fluoreszenz ein Meßtechnikkonzept realisiert, mit dem<br />
die zweidimensionale Verteilung des Luftverhältnisses im gefeuert betriebenen BDE-Motor bestimmt werden<br />
konnte. Neben der prinzipiellen Methodik werden die spezifischen Anforderungen <strong>für</strong> eine akkurate<br />
Verwendung des gezeigten Konzeptes beschrieben sowie mögliche Einflußfaktoren und Fehlerquellen<br />
ausführlich diskutiert. Die Resultate konnten über die simultane eindimensionale Messung des<br />
Luftverhältnisses mit der linearen Raman-Spektroskopie verglichen werden und zeigen eine gute<br />
Übereinstimmung.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
_____________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 5.1<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Lösungsansätze<br />
(VII. Tagung)<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
München, 15./16. März 2005<br />
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die<br />
Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie nach wie vor in besonderer Weise gefordert,<br />
die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren.<br />
Die direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl <strong>für</strong> die dieselmotorische als auch <strong>für</strong> die<br />
ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen und werden mit besonderem<br />
Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung <strong>für</strong> den Pkw- und Nfz-Bereich bzw.<br />
die Benzindirekteinspritzung behandelt. Attraktive Alternativen werden aufgezeigt, wie z.B. der<br />
variable Ventiltrieb oder der Gasmotor, beide Themengebiete jeweils in einer eigenen Sitzung.<br />
Übergeordnetes Querschnittsthema stellen auch dieses Jahr wieder die motorischen Partikel dar.<br />
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der<br />
Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw.<br />
simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung werden in diesem Berichtsband<br />
einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie<br />
und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf fast 570 Seiten mit über 460 Abbildungen wird in 46<br />
Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie (BMW Group, DaimlerChrysler AG, Lotus/UK, MAN<br />
Nutzfahrzeuge, Nissan/Japan und Volkswagen), sowie von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen<br />
(AVL List/Graz, BERU, Bosch, Eberspächer, ESYTEC, FEV, META, Siemens VDO Automotive und<br />
Westport Germany bzw. Westport Innovations/Canada) und von einschlägigen privaten und<br />
öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet.<br />
Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen Chalmers University Göteborg/Schweden, IAV<br />
Gifhorn & Berlin, Laser-Laboratorium Göttingen, RWTH Aachen, TU Darmstadt, TU Dresden, TU<br />
Istanbul/Türkei, TU Graz, TU München, TU Wien, U Bayreuth, U Erlangen, U Hannover, U<br />
Karlsruhe, U Loughborough/UK, U Lund/Schweden und U Rostock.<br />
Erlangen 2005
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 5.2<br />
Dipl.-Ing. Dieter Most<br />
Untersuchung turbulenter Verbrennungsfelder durch simultane Anwendung gefilterter<br />
Rayleigh-Streulicht-Thermometrie (FRS) und Particle Image Velocimetry (PIV)<br />
Eine simultane Erfassung von Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern in Verbrennungsprozessen erlaubt<br />
einen direkten Zugang zu detaillierteren Informationen zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen<br />
Flamme (chemischer Reaktion) und Strömungsfeld. Primäres Ziel der Arbeit ist es daher, die Grundlagen zur<br />
simultanen Messung momentaner Geschwindigkeits- und Temperatur-Felder mittels kombinierter Anwendung<br />
gefilterter Rayleigh-Streulichttechniken (FRS-Thermometrie) und der Particle Image Velocimetry (PIV) zu<br />
erarbeiten. Zum anderen werden erweiterte Auswertungen der damit in turbulenten Flammen erhaltenen<br />
korrelierten Daten durchgeführt.<br />
Die FRS-Thermometrie wurde dazu zunächst optimiert, unter anderem über die Erweiterung der FRS-<br />
Auswertung um eine Modellierung der Verbreiterung der Rayleigh-Spektren <strong>für</strong> den Übergangsbereich<br />
zwischen kinetischem und hydrodynamischem Regime. Durch die erfolgten Verbesserungen bei der FRS-<br />
Technik wird nun ein simultaner Einsatz mit PIV-Techniken möglich. Derart erhaltene Datensätze erlauben<br />
z.B. die direkte Beobachtung des Einflusses kohärenter Wirbel auf die lokale Flammenfront oder eine direkte<br />
Bestimmung dichtegemittelter turbulenter Flüsse. Die so erzielten Ergebnisse unterstreichen dabei die<br />
Bedeutung einer differenzierten Betrachtung zeitlich fluktuierender Reaktionsorte und Strömungswege bei der<br />
Erforschung komplexer Flammen.<br />
Schriftenreihe Heft 5.3<br />
Dipl.-Phys. Frank Beyrau<br />
Entwicklung der Rotations-CARS-Spektroskopie zur<br />
Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse<br />
Promotionspreis 2006<br />
der<br />
<strong>Technische</strong>n Fakultät<br />
Universität Erlangen-Nürnberg<br />
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung des Rotations-CARS-Verfahrens zur<br />
berührungslosen quantitativen Bestimmung von Temperatur und Molekülkonzentrationen in technischen<br />
Einspritz- beziehungsweise Verbrennungsprozessen. Wesentlich <strong>für</strong> den erfolgreichen Einsatz in motorischen<br />
Umgebungen, das heißt in geschlossenen, zum Teil heterogenen Systemen, ist die Minimierung der dort<br />
auftretenden Störeinflüsse. Insbesondere Interferenzen durch gestreutes Laserlicht und Gasplasmen<br />
beziehungsweise Fensterzerstörungen durch zu hohe Laserleistungen können eine erfolgreiche Messung<br />
verhindern. Dieser Problematik und den dazu entwickelten Lösungen wird deshalb besondere<br />
Aufmerksamkeit gewidmet. Das große Potential der im Laufe dieser Arbeit weiterentwickelten Rotations-<br />
CARS-Technik wird anhand von Messungen in einem verdampfenden Kraftstoffspray sowie durch<br />
Untersuchungen zur homogenen Kompressionszündung (HCCI) in einem seriennahen Ottomotor<br />
demonstriert.<br />
In Sprays eines Injektors <strong>für</strong> die Benzindirekteinspritzung wurde erstmalig die auftretende<br />
Verdampfungskühlung mit hoher Genauigkeit vermessen. Diese wichtige Größe war bislang messtechnisch<br />
unzugänglich. Bei den Untersuchungen wurden sowohl der Einspritzdruck als auch die Kraftstofftemperatur<br />
variiert und das Verdampfungsverhalten der Sprays in Kombination mit der Phasen-Doppler-Anemometrie<br />
und dem Mie-Streulichtverfahren bei unterschiedlichen Einspritzbedingungen analysiert.<br />
Zusätzlich zur reinen Temperaturbestimmung bietet die CARS-Spektroskopie die Möglichkeit, simultan die<br />
lokale Sauerstoffkonzentration zu bestimmen. Dies wurde schließlich genutzt, um das HCCI-Brennverfahren<br />
zu untersuchen. Anhand der Messungen konnten die Vermischungsvorgänge von angesaugter Frischluft und<br />
zurückgeführtem Abgas (AGR) während der Ansaug- und Kompressionsphase sowie die Auswirkungen der<br />
veränderten AGR-Rate auf die zeitliche Lage des Verbrennungsschwerpunktes <strong>beim</strong> HCCI-Betrieb aufgezeigt<br />
werden.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 5.4<br />
Siva Prasad Reddy Muppala, M. Tech.<br />
Modelling of Turbulent Premixed High-Pressure Combustion with Application Towards Gas<br />
Turbine Combustors<br />
(Modellierung turbulenter vorgemischter Hochdruck-Verbrennung <strong>für</strong> Anwendungen in<br />
Richtung auf Gasturbinen-Brennkammern)<br />
In dieser Arbeit wird die numerische Modellierung turbulenter vorgemischter Verbrennung unter<br />
Berücksichtigung des Druckeinflusses und <strong>für</strong> unterschiedliche Brennstoffe untersucht. Es werden drei<br />
algebraische Reaktions-Schließungs-Modelle (TFC-Modell, klassisches BML-Model, Modell von Lindstedt<br />
und Váos) mit einem experimentellen Datensatz aus der Literatur verglichen, der mehr als 100 Flammen<br />
zwischen 1 und 30 bar bei drei Brennstoffen (Methan, Ethylen und Propan) und bei variierten<br />
Turbulenzbedingungen umfasst. Es zeigt sich, dass in allen drei Modellen weder Druck-, noch<br />
Brennstoffeinfluss enthalten ist (teilweise partiell). Der Schwerpunkt dieser Arbeit beinhaltet deshalb die<br />
Entwicklung erweiterter Modelle.<br />
Es werden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt. Im ersten wird der Reaktionsterm der<br />
Reaktionsfortschrittsvariablen mit einer algebraischen Beziehung <strong>für</strong> das Flammen-Faltungsverhältnis AT / A<br />
modelliert, die auf einem Ansatz mit drei Parametern basiert. Dabei wurde eine universelle Gleichung <strong>für</strong> alle<br />
drei Brennstoffe gefunden, wenn die Lewiszahl des Brennstoff/Luft-Gemisches eingefügt wird. Der zweite<br />
Ansatz basiert auf dem Lindstedt-Váos (LV)-Modell, das <strong>für</strong> den Einfluss sowohl des Druckes als auch des<br />
Brennstofftypes erweitert wurde.<br />
Beide neuen Modelle wurden an zusätzlichen experimentellen Daten getestet. Das MD-Modell wurde zudem<br />
erstmalig auch im Rahmen von LES-Berechnungen getestet, wobei vielversprechende erste Ergebnisse<br />
erzielt wurden.<br />
Schriftenreihe Heft 5.5<br />
Ali Bani Kananeh, M. Sc.<br />
Experimental Study of Dropwise Condensation on Ion Implanted Horizontal Single Tubes and<br />
Tube Bundles<br />
(Experimentelle Untersuchung der Tropfenkondensation an durch Ionenimplantation<br />
modifizierten horizontalen Einzelrohren und Rohrbündeln)<br />
In der vorliegenden Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit der Tropfenkondensation (TK) von gesättigtem<br />
Wasserdampf an horizontalen Einzelrohren und Rohrbündeln im Vergleich zur Filmkondensation (FK)<br />
untersucht. Die Einstellung von TK erfolgte durch Reduktion der Oberflächenenergie des Rohrmaterials<br />
mittels Plasma-Ionenimplantation (PII) mit Stickstoffionen, einer Implantationsenergie von 20 keV und<br />
lonendosen von bis zu 10 16 N·cm -2 , wodurch eine unvollständige Benetzbarkeit der Oberfläche erzielt werden<br />
konnte. Um die Zuverlässigkeit der Plasma-Ionenimplantation als Methode zur Einstellung von TK in der<br />
technischen Anwendung nachweisen zu können, wurde ein Rohrbündelkondensator aufgebaut, in welchem<br />
die TK an horizontalen Einzelrohren und Rohrbündeln untersucht werden kann. Der Kondensator wurde <strong>für</strong><br />
kleine Rohrbündel aus bis zu 9 horizontalen Einzelrohren mit einer Länge von 0,5 m und einem<br />
Außendurchmesser von 0,02 m ausgelegt.<br />
An Edelstahlrohren, die mit Ionendosen von 10 15 und 10 16 N·cm -2 modifiziert wurden, konnte stabile TK erzielt<br />
werden. In experimentellen Untersuchungen wurden Wärmeströme und Wärmeübertragungskoeffizienten<br />
bestimmt, wobei letztere mit den theoretischen Werten <strong>für</strong> FK nach der Nußeltschen Filmtheorie verglichen<br />
wurden. An den mit 10 16 N·cm -2 implantierten Rohren wurden Wärmeübertragungskoeffizienten gefunden, die<br />
um einen Faktor von bis zu 3,7 größer als die nach der Nußeltschen Theorie berechneten Werte waren.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 6.1<br />
Dipl.-Ing. Ingo Schmitz<br />
Untersuchungen zum Einfluss von Druck und Temperatur auf die Spraycharakteristik bei der<br />
Benzindirekteinspritzung<br />
Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene laseroptische Meßmethoden zur qualitativen und quantitativen<br />
Charakterisierung der Sprayzerstäubung eines Drallinjektors und eines Mehrlochventils <strong>für</strong> die<br />
Benzindirekteinspritzung eingesetzt. Das Ziel der Sprayzerstäubung in Verbrennungsprozessen liegt in der<br />
Erzeugung einer hohen Anzahl an kleinen Tropfen, was zu einer beschleunigten Verdampfung führt. Dieses<br />
bildet die Grundlage <strong>für</strong> eine gute Gemischbildung und eine schadstoffarme Verbrennung. Anhand einiger<br />
ausgewählter Betriebspunkte wird mittels der Mie-Streulichttechnik die Sprayausbreitung eines Drallinjektors<br />
unter Veränderung von Kammer- und Kraftstoffdruck vorgestellt und diskutiert. Hierbei kann beobachtet<br />
werden, dass eine Variation des Kammerdruckes die Sprayform merklich beeinflusst, während eine<br />
Kraftstoffdruckerhöhung die Zerstäubungsgüte verbessert. Die Untersuchungen zum Einfluss der Kammer-<br />
und Kraftstofftemperatur auf den Sprayzerfall und die Verdampfung erfolgen mit der laserinduzierten<br />
Exciplex-Fluoreszenztechnik (LIEF) unter Verwendung verschiedener Ersatzkraftstoffe mit unterschiedlichem<br />
Siedeverhalten. Dabei ist zu beobachten, dass die Kammertemperatur keinen wesentlichen Einfluss auf das<br />
Spray während des Einspritzungsprozesses ausübt. Demgegenüber führt eine Erhöhung der<br />
Kraftstofftemperatur bei einem Absolutdruck von 0,5 bar zu einer signifikanten Änderung in der Spraystruktur.<br />
Beim Überschreiten der Siedetemperatur des verwendeten Kraftstoffes unterliegt das Spray dem Flash-<br />
Boiling-Effekt, bei dem die Spraystruktur kollabiert. Beide verwendeten Injektortypen zeigen trotz ihres<br />
unterschiedlichen Funktionsprinzips ein vergleichbares Sprayausbreitungsverhalten, welches sich in einem<br />
kompakten Spray mit sehr feinen Tröpfchen äußert. Der Einfluss der Kraftstofftemperatur auf die<br />
Tropfengrößen und deren Verteilungen wird am Spray des Mehrlochventils anhand von PDA-Messungen<br />
verifiziert.<br />
Schriftenreihe Heft 6.2<br />
Ahmad Hasan Sakhrieh, M. Sc.<br />
Reduction of pollutant emissions from high pressure flames using an electric field<br />
(Reduktion der Schadstoffemissionen von Hochdruckflammen mittels eines elektrischen<br />
Feldes)<br />
Zahlreiche Untersuchungen haben bisher das Potential eines elektrischen Feldes zur Stabilisierung von<br />
Flammen sowie zur Reduzierung von Abgasemissionen mit vergleichsweise geringem Aufwand aufgezeigt.<br />
Jedoch sind diese Studien auf atmosphärische Bedingungen hinsichtlich Druck und Raumtemperatur<br />
beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss elektrischer Felder auf turbulente Vormischflammen<br />
unter 1,2-10 Druck bar bei variierten Lufteinlasstemperaturen untersucht. Dabei wurden elektrische Felder<br />
mit unterschiedlicher Stärke und Richtung verwendet. Die Konzentrationen von CO, NO, NO2 und UHC<br />
wurden im Abgas gemessen. Die Experimente haben gezeigt, dass der Einfluss elektrische Felder <strong>für</strong> erhöhte<br />
Drücke unbegrenzt auch über 10 bar hinaus effektiv ist. Die CO Konzentration konnte um 95% unabhängig<br />
von Druck reduziert werden. Zudem zeigte sich, dass der Einfluss elektrischer Felder bei erhöhten<br />
Lufteinlasstemperaturen durch die vermehrte Erzeugung positiver Ionen nicht abnimmt, sondern sogar<br />
zunimmt.<br />
Der Einfluss elektrischer Felder auf Flammen wurde anhand der Variation von Elektrodendurchmesser und<br />
Elektrodenabstand untersucht. Im Allgemeinen bewirkt eine Veränderung des Elektrodendurchmessers eine<br />
größere Änderung als eine Variation des Elektrodenabstandes. Die experimentellen Untersuchungen des<br />
Einflusses elektrischer Felder auf die NOX Emissionen haben gezeigt, dass sich die Löschgrenze unter<br />
Einfluss des elektrischen Feldes verschiebt. Die Korrelation zwischen dem Anstieg der Löschgrenze und der<br />
Elektrodenspannung stellte sich als exponentiell statt nur linear heraus. Bei Anlegen eines elektrischen<br />
Feldes bei 4 bar ergab sich eine Erhöhung der mageren Verlöschgrenze um 8% bei Raumtemperatur und um<br />
5% bei einer Vorheiztemperature von 200 ºC. Üblicherweise führt ein zunehmenden Lüftüberschuss bei<br />
Vormischflammen zu einem Anstieg der CO-Emissionen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes konnte<br />
gezeigt werden, dass die Emissionen grundsätzlich unterhalb des Startwertes ohne Einsatz des elektrischen<br />
Feldes reduziert werden können. Dadurch ergab sich eine kombinierte Reduktion von sowohl NOX als auch<br />
CO um 40% bzw. 60% bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes. Die benötige elektrische Leistung zur CO<br />
Reduktion um mehr als 90% ist extrem klein und beträgt immer unter 0,02% der thermischen Leistung des<br />
Brenners.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 7.1<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Lösungsansätze<br />
(VIII. Tagung)<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
München, 15./16. März 2007<br />
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die Automobilhersteller<br />
und ihre Zulieferer nach wie vor in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte<br />
und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren. Die direkteinspritzenden Brennverfahren<br />
werden sowohl <strong>für</strong> die dieselmotorische als auch <strong>für</strong> die ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich<br />
angesehen und werden mit besonderem Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung und<br />
dem HCCI-Brennverfahren bzw. die Benzindirekteinspritzung und variable Ventilsteuerung behandelt. Alternativen<br />
und innovative Konzepte werden aufgezeigt, wie z. B. die kontrollierte Selbstzündung oder der<br />
Gasmotor, aber auch Kraftstofffragen behandelt, die beiden letztgenannten Themengebiete und die<br />
Abgasnachbehandlung jeweils in einer eigenen Sitzung.<br />
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der Brennverfahrensentwicklung, ihrer<br />
meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw. simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung<br />
werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten<br />
Vertretern aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf fast 560 Seiten mit über 420<br />
Abbildungen wird in 46 Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie AUDI, BMW Goup, Daimler<br />
Chrysler, Lotus / UK, MAN Diesel SE, Renault und Volkswagen, den Zulieferer- und Messtechnikfirmen<br />
AVL List / Graz, Bosch, ESYTEC, EVT, FEV, FKFS, LaVision, META und Siemens VDO Automotive<br />
sowie aus einschlägig aktiven privaten und öffentlichen Messtechnik-, Forschungs- und<br />
Entwicklungseinrichtungen neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten<br />
Einrichtungen zählen Chalmers University Göteborg / Schweden, IAV Gifhorn & Berlin, Instituto Motori<br />
Neapel / Italien, Inst. Petroleum Processing Krakau / Polen, Laser-Laboratorium Göttingen, Öl- Wärme-<br />
Institut Aachen, Polytechnico Milano / Italien, RWTH Aachen, TU Cottbus, TU Darmstadt, TU Dresden, TU<br />
Graz, TU Istanbul, Türkei, TU Wien, U Bayreuth, U Duisburg-Essen, U Erlagen, U Karlsruhe, U London /<br />
UK, U Loughborough / UK, U BW München, U Rostock und U Warschau / Polen.<br />
Erlangen 2007
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 6.3<br />
Dr.-Ing. Thomas Seeger<br />
Wolfgang-Finkelnburg-Preis 2007<br />
der <strong>Technische</strong>n Fakultät<br />
Universität Erlangen-Nürnberg<br />
Moderne Aspekte der linearen und nichtlinearen Raman-Streuung zur Bestimmung<br />
thermodynamischer Zustandsgrößen in der Gasphase<br />
Zur quantitativen zeit- und ortsaufgelösten Bestimmung von thermodynamischen Zustandsgrößen in der<br />
Gasphase eignen sich eine Reihe unterschiedlicher laserbasierter optischer Meßverfahren. Unter diesen<br />
Meßtechniken sind die lineare und die nichtlineare Raman-Streuung, letztere in Form der kohärenten Anti-<br />
Stokes-Raman-Streuung (CARS), in den letzten 15 Jahren hinsichtlich ihrer Nutzung zur Analyse technisch<br />
relevanter, auch instationärer Prozesse besonders weit entwickelt worden.<br />
In der vorliegenden Arbeit wurde in Verbindung mit einer Vielzahl von eigenen Arbeiten und Experimenten zu<br />
diesem Themenkreis eine systematische und umfassende Zusammenstellung, Analyse und Bewertung der<br />
Einsatzmöglichkeiten der linearen und nichtlinearen Raman-Streuung durchgeführt. So werden<br />
beispielsweise die verschiedenen anwendungsspezifischen Vorgehensweisen und die damit erzielbare<br />
Meßgenauigkeit zur Bestimmung von Temperatur und Spezieskonzentrationen in der Gasphase in<br />
Verbindung mit einer umfassenden Aufbereitung der möglichen Störeinflüsse diskutiert. Zusätzlich werden auf<br />
Basis dieser Erkenntnisse beispielhaft einzelne ausgewählte, aktuell interessante Anwendungen an<br />
modernen und auch technisch relevanten thermodynamischen Prozessen aufgezeigt.<br />
Die vorliegende Arbeit wurde von der <strong>Technische</strong>n Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als<br />
Habilitationsschrift <strong>für</strong> das Fachgebiet <strong>Technische</strong> <strong>Thermodynamik</strong> angenommen.<br />
Schriftenreihe Heft 7.2<br />
Dipl.-Ing. Marco Taschek<br />
Einsatz qualitativer und quantitativer optischer Messverfahren an einem Diesel-<br />
Transparentmotor<br />
Die vorgestellte Arbeit beschreibt die Entwicklung und den erfolgreichen Einsatz einer Kombination aus nichtinvasiven,<br />
zeitlich und räumlich hochauflösenden optischen Messtechniken zur umfassenden<br />
Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung.<br />
Dazu wurden mehrere aufeinander abgestimmte optische Messtechniken gleichzeitig an einem<br />
Transparentmotor eingesetzt, um ein Maximum an Information aus einem Arbeitszyklus zu erhalten. Zu<br />
diesen zählen die Detektion des Flammenleuchtens im UV-Spektralbereich und die Aufnahme thermisch<br />
angeregten Rußleuchtens im sichtbaren Wellenlängenbereich, die Mie-Streulichttechnik zur<br />
Charakterisierung der Flüssigphasenverteilung und die laserinduzierte Inkandeszenz zur Erfassung der<br />
zweidimensionalen Rußverteilung im Brennraum. Darüber hinaus wurde die lineare Raman-Spektroskopie<br />
erstmalig zur quantitativen Bestimmung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und dessen Veränderung entlang<br />
einer Linie direkt in der Brennraummulde eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung verwendet. Neben den<br />
optischen Messtechniken erfolgte natürlich eine konventionelle Indizierung des Motors.<br />
Das Potential der applizierten Messtechniken wird erst durch die Kombination der gewonnenen Messdaten<br />
deutlich, die den Einfluss motorischer Parameter, wie Ladungsbewegung, Einspritzstrategie oder der<br />
Spritzlochgeometrie der Einspritzdüsen auf die Gemischbildung, die Zündung, die Verbrennung und die<br />
Rußbildung sowie deren Wechselwirkung veranschaulichen. Damit trägt diese Arbeit neben der<br />
Verbesserung der Messtechnik ihren Teil zum besseren Verständnis der dieselmotorischen Verbrennung bei.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 7.3<br />
Dipl.-Ing. Andreas Bräuer<br />
Promotionspreis 2008<br />
der <strong>Technische</strong>n Fakultät<br />
Universität Erlangen-Nürnberg<br />
Experimentelle Gemischbildungsanalyse im überkritischen Antisolvent-Verfahren<br />
Bei der Herstellung feinster Partikel mit möglichst einheitlicher Korngrößenverteilung unter Verwendung des<br />
überkritischen Antisolvent (SAS)-Verfahrens diktiert der Gemischbildungsvorgang aus Solvent und<br />
Antisolvent die Eigenschaften der hergestellten Partikel. Nur wenn es durch eine geeignete Prozessführung<br />
gelingt, Solvent und Antisolvent auf molekularer Ebene homogen zu vermischen, bevor es zur Keimbildung<br />
und zum Partikelwachstum des Wirkstoffs kommt, kann eine homogene Übersättigung in einer möglichst<br />
engen Korngrößenverteilung resultieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene theoretische<br />
Überlegungen und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die im SAS-Verfahren ablaufenden<br />
Teilschritte zu beleuchten und deren Kinetik zu entschlüsseln. Hierbei stellt sowohl der Einsatz quantitativer,<br />
zeitlich und lokal auflösender Lasermesstechniken als auch die gepulste Prozessführung unter Verwendung<br />
eines Piezo-Diesel-Injektors ein Novum auf dem Gebiet der überkritischen Fluidtechnologie zur<br />
Partikelherstellung dar. Die im Rahmen dieser Arbeit getätigten Untersuchungen tragen sowohl im Bereich<br />
der zweiphasigen als auch der einphasigen Vermischung einen umfassenden Beitrag zum<br />
Gemischbildungsverständnis des SAS-Verfahrens bei.<br />
Schriftenreihe Heft 7.4<br />
Dipl.-Ing. Thomas Blotevogel<br />
Untersuchung der Gemischbildung und Verbrennung bei Wasserstoffmotoren mit Hilfe<br />
optischer Messtechniken<br />
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Applikation der planaren laserinduzierten Tracer-<br />
Fluoreszenz-Technik zur qualitativen und quantitativen zweidimensionalen Untersuchung der Einblase- und<br />
Gemischbildungsprozesse bei einem Wasserstoffmotor und weiterhin den kombinativen, simultanen Einsatz<br />
von laserinduzierter Tracer-Fluoreszenz und Flammeneigenleuchten zur Untersuchung der Zusammenhänge<br />
zwischen Gemischbildung und Verbrennung und zur Gewinnung vertiefter Einblicke in die Wirkkette der<br />
wasserstoffmotorischen Verbrennung. Das Konzept zur Quantifizierung der LIF-Rohdaten wird erläutert und<br />
das Verfahren durch eine direkte Messung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses mit Hilfe der linearen Raman-<br />
Streuung verifiziert. Für den Einsatz am Motor mit äußerer und innerer Gemischbildung war es erforderlich,<br />
Gasversorgungssysteme zu entwickeln und aufzubauen, die die homogene Mischung von Gas und Tracer<br />
sicherstellen und die Gaseinblaseventile mit dem gewünschten Gasdruck und dem entsprechenden<br />
Volumenstrom versorgen können. Das in dieser Arbeit beschriebene LIF-Meßverfahren ist am<br />
Wasserstoffmotor erfolgreich eingesetzt worden. Beispielhaft wurde der Einfluß verschiedener Parameter<br />
(z.B. Einblasezeitpunkt und –druck) auf den Gemischbildungsprozeß untersucht. Durch die simultane,<br />
zyklusaufgelöste Gemischbildungs- und Verbrennungsuntersuchung konnte ein Zusammenhang zwischen<br />
der Gemischverteilung, d.h. dem lokalen Kraftstoff/Luft-Verhältnis zum Zündzeitpunkt, und der Verbrennung,<br />
gekennzeichnet durch Zylinderdruckverlauf und Flammenausbreitung, aufgezeigt werden.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 8.1<br />
Dipl.-Ing. Roland Sommer<br />
Einsatz der laserinduzierten Glühtechnik (LII) zur Charakterisierung nanoskaliger Partikel<br />
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Einsatzspektrum der zeitaufgelösten laserinduzierten<br />
Glühtechnik (time-resolved laser-induced incandescence, TIRE-LII) in verschiedenen Anwendungsgebieten<br />
systematisch untersucht. Dazu war neben einer Weiterentwicklung des theoretischen LII-Modells <strong>für</strong><br />
verschiedene Stoffsysteme vor allem die experimentelle Entwicklung der Messtechnik zur Analyse technisch<br />
und gesellschaftspolitisch bedeutsamer Fragestellungen interessant. Das Grundprinzip der laserinduzierten<br />
Glühtechnik ist das Aufheizen von nanoskaligen Teilchen mittels eines hochenergetischen Laserpulses und<br />
die anschließende Analyse des spektral und zeitlich aufgelösten Wärmestrahlungsverhaltens, wodurch<br />
sowohl die Massenkonzentration als auch die Primärpartikelgröße bestimmt werden kann.<br />
Die Entwicklung eines Online-Sensors zur selektiven Rußcharakterisierung in motorischem Abgas und zur<br />
Bewertung von Feinstaubimmissionen war eine der Herausforderungen. Damit war es beispielsweise<br />
erstmalig möglich, den Einfluss einzelner Fahrzeuge im Straßenverkehr und deren Anteil am<br />
Gesamtfeinstaubgehalt aufzuzeigen. Außerdem konnte durch den Einsatz des Sensors direkt im motorischen<br />
Rohabgas Rückschlüsse auf Abbaumechanismen von Abgasnachbehandlungssystemen und deren<br />
Regenerationsstrategien gezogen werden.<br />
Um den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter bei der technischen Nanopartikelsynthese auf die<br />
Bildungs- und Wachstumskinetik besser verstehen und kontrollieren zu können, ist es notwendig, neben<br />
anderen Produkteigenschaften vor allem die Primärpartikelgröße des jeweiligen Stoffsystems online und in<br />
situ zu bestimmen. In diesem Zusammenhang wurde die Messtechnik zur Charakterisierung von Metalloxiden<br />
und auf Substrat abgeschiedenem Eisen erfolgreich eingesetzt. Eine erstmalige theoretische Modellierung<br />
des LII-Prozesses des letztgenannten Stoffsystems zeigte <strong>für</strong> realistische Randbedingungen eine gute<br />
Übereinstimmung mit TEM-Daten. Darüber hinaus konnte das Potential von LII zum Einsatz in verschiedenen<br />
Carbon-Black-Suspensionen aufgezeigt werden. In diesem Rahmen wurde unter anderem der Einfluss<br />
unterschiedlicher Lösemittel auf die LII-Signalcharakteristik untersucht.<br />
Schriftenreihe Heft 8.2<br />
Dipl.-Ing. Sebastian Pfadler<br />
Entwicklung und Einsatz der konditionierten Particle Image Velocimetry zur<br />
Charakterisierung und Modellvalidierung turbulenter Vormischflammen<br />
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung der konditionierten Particle Image<br />
Velocimetry (CPIV) zur simultanen, quantitativ bildgebenden Charakterisierung des Strömungs- und<br />
Reaktionsfeldes im Edukt- und Abgasbereich turbulenter Vormischflammen. Das Messprinzip erlaubt sowohl<br />
die Untersuchung grundlegender Wechselwirkungen zwischen turbulenten Strömungsfeldern und der<br />
Verbrennungsreaktion, als auch die Validierung von Modellierungsansätzen, die bei der numerischen<br />
Simulation zur Schließung von nicht auflösbaren Termen eingesetzt werden. Anhand unterschiedlicher<br />
Brennergeometrien werden die bei der RANS- und der Grobstruktursimulation auftretenden Größen<br />
untersucht und mit gängigen Modellierungsansätzen verglichen.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Staedtler – Promotionspreis 2008<br />
und<br />
Schriftenreihe Heft 8.3<br />
WLT Award 2009 der<br />
Dipl.-Ing. Johannes Kiefer<br />
Wissenschaftlichen Gesellschaft <strong>für</strong><br />
Lasertechnik e.V. (WLT)<br />
Nichtlineare optische Spektroskopie zur Diagnostik von Verbrennungsvorgängen<br />
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung nichtlinearer optischer<br />
Spektroskopieverfahren im Bereich der Verbrennungstechnik. Dabei werden drei spezielle Messtechniken<br />
behandelt, nämlich die kohärente anti-Stokes Raman-Streuung (CARS), die laser-induzierte Gitter-Technik<br />
(LIG) und die Laser-Polarisations-Spektroskopie (PS).<br />
Die CARS-Spektroskopie in Form des Dual-Broadband-Rotations-CARS-Verfahrens wurde erstmalig mit der<br />
linearen Raman-Spektroskopie kombiniert. Dies ermöglichte die simultane Bestimmung der<br />
Gasphasentemperatur und der Konzentrationen aller Hauptspezies. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die<br />
Brennstoffpyrolyse in einer teilvorgemischten Ethen-Luft-Flamme, sowie die Gemischbildung bei der<br />
Einspritzung von Flüssigpropan zu untersuchen. Dabei konnte erstmals die Verdampfungskühlung in einem<br />
Flüssiggasspray mit hoher Tropfendichte bestimmt werden.<br />
Die LIG-Technik wurde eingesetzt, um den Gemischbildungsprozess bei der Einblasung von Propangas in<br />
Luft zu untersuchen. Dabei wurde lokal der zeitliche Verlauf der Luftzahl bestimmt. Für die Auswertung der<br />
LIG-Signalverläufe wurden verschiedene Methoden entwickelt, die eine aufwendige Berechnung theoretischer<br />
Signalverläufe überflüssig machen. Dazu wurden Signalparameter wie die Oszillationsperiodendauer, die<br />
absolute Signalintensität und das Verhältnis von elektrostriktiven und thermischen Signalbeiträgen genutzt.<br />
Die entwickelten Auswerteverfahren ermöglichten erstmalig die Nutzung der LIG-Technik im Einzelpulsbetrieb<br />
in einem weiten Parameterbereich.<br />
Die PS-Technik wurde zur Detektion von CH im ultravioletten und C2H2 im infraroten Spektralbereich<br />
weiterentwickelt. Dabei wurden molekularphysikalische Effekte wie Linienverbreiterung, Sättigung und<br />
Quenching näher untersucht. Im Fall von CH wurde die Dopplerverbreiterung unterdrückt und durch Nutzung<br />
eines Einmoden-Alexandritlasers hochaufgelöste Spektroskopie betrieben. Zusätzlich wurden simultane<br />
Messungen mit laser-induzierter Fluoreszenz durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Am Beispiel des<br />
OH-Radikals wurde schließlich noch die Anwendbarkeit der PS-Technik zur Bestimmung der OH-Verteilung<br />
und der Temperatur in einer teilvorgemischten Methan/Luft-Flamme demonstriert. Die Ergebnisse zeigten die<br />
typische Struktur zweier Flammenfronten, wobei sich die OH-Temperatur nur wenig ändert, die OH-<br />
Konzentration in der stöchiometrischen Zone ein intensives absolutes Maximum besitzt und in der inneren<br />
Reaktionszone nur in geringem Maße vorhanden ist.<br />
Schriftenreihe Heft 9.2<br />
Dipl.-Ing. Anna Malarski<br />
Zweidimensionale Tropfengrößenbestimmung in Sprays mittels Laser-Raman-Streuung und<br />
Laser-Mie-Streuung<br />
Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines neuen laseroptischen<br />
Messverfahrens zur bildgebenden Bestimmung von Tropfengrößen in Flüssigkeitssprays. Der derzeitige<br />
Stand der Technik der zweidimensionalen Tropfengrößenmessverfahren, die überwiegend zur<br />
Spraycharakterisierung eingesetzt werden, beruht auf dem simultanen Einsatz von laserinduzierter<br />
Fluoreszenz und Mie-Streuung. Die Quantifizierung der Tropfengröße weist mit dieser Methode einige<br />
Unsicherheiten aufgrund der besonderen Eigenschaften der Fluoreszenz auf. Daher wird diese hier durch die<br />
Raman-Streuung ersetzt. Die Grundlagen der hier eingesetzten optischen Messverfahren Raman-Streuung<br />
und Mie-Streuung werden mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen ausführlich behandelt und im Hinblick<br />
auf ihre Einsetzbarkeit begutachtet. Für den Einsatz zur Tropfengrößenmessung in Sprays sind umfangreiche<br />
Vorarbeiten wie z. B. die Entwicklung einer Kalibrierstrategie notwendig. Es werden zwei Kalibrierverfahren<br />
vorgestellt, das eine beruht auf der Vermessung von Tropfen bekannter Größe, das andere nutzt den<br />
Vergleich der Messdaten mit Messungen aus der Phasen-Doppler-Anemometrie an einigen Punkten im<br />
eigentlichen Messobjekt.<br />
Die Anwendung der Messtechnik in einem Spray, das von einem Injektor <strong>für</strong> die Benzindirekteinspritzung<br />
erzeugt wird, und der Vergleich mit Messdaten, die mit der Phasen-Doppler-Anemometrie erfasst wurden,<br />
zeigen die Anwendbarkeit des neu entwickelten Messverfahrens. Abschließend werden eine Einschätzung<br />
der Anwendungsbereiche gegeben und die weiteren Entwicklungsschritte aufgezeigt.
<strong>BERICHTE</strong> <strong>ZUR</strong><br />
ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK BEV<br />
______________________________________________________<br />
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz<br />
Schriftenreihe Heft 9.1<br />
Motorische Verbrennung<br />
- aktuelle Probleme und<br />
moderne Lösungsansätze<br />
(IX. Tagung)<br />
Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V.<br />
München, 19./20. März 2009<br />
Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die Automobilhersteller<br />
und ihre Zulieferer nach wie vor in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte<br />
und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren. Die direkteinspritzenden Brennverfahren<br />
werden sowohl <strong>für</strong> die dieselmotorische als auch <strong>für</strong> die ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich<br />
angesehen und werden mit besonderem Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung und<br />
dem HCCI-Brennverfahren bzw. die Benzindirekteinspritzung und variable Ventilsteuerung behandelt. Alternativen<br />
und innovative Konzepte werden aufgezeigt, wie z. B. die kontrollierte Selbstzündung oder der<br />
Gasmotor, aber auch Kraftstofffragen behandelt, die beiden letztgenannten Themengebiete jeweils in einer<br />
eigenen Sitzung. Eine eigene Sitzung ist auch der Einspritzung gewidmet, die eine vorrangige Rolle <strong>für</strong> den<br />
gesamten Verbrennungsprozess spielt.<br />
Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der Brennverfahrensentwicklung, ihrer<br />
meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw. simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zu speziellen<br />
Fragestellungen werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von<br />
kompetenten Vertretern aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf fast 550 Seiten mit über<br />
450 Abbildungen wird in 44 Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie BMW Goup, Daimler,<br />
GM R&D/USA, GM Rowertrain, MAN Diesel SE und Volkswagen, den Zulieferer- und Messtechnikfirmen<br />
BASF SE, Bosch, Continental, ESYTEC, FEV, LaVision, L’Orange und META sowie aus einschlägig<br />
aktiven privaten und öffentlichen Messtechnik-, Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen neueste<br />
Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen Argonne Nat.<br />
Labs/USA, City U. London/UK, IAV Chemnitz, Imperial College London/UK, Instituto Motori<br />
Neapel/Italien, Inst. Petroleum Processing Krakau/Polen, Institute Technologistics/Japan, Laser-Laboratorium<br />
Göttingen, LEC Graz, Michigan Techn. University/USA, Petrobas/Brasilien, Russ. Akad. Wiss.<br />
Moskau/Russland, RWTH Aachen, Sandia Nat. Labs./USA, TU Cottbus, TU Darmstadt, TU Dresden, TU<br />
Graz, TU München, TU Wien, U Bayreuth, U Duisburg-Essen, U Erlangen, U Karlsruhe, U Michigan/USA,<br />
U Rostock, Wayne State U./USA und Westsächsische HS Zwickau.<br />
Erlangen 2009
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 9.3<br />
Dipl.-Ing. Markus Christian Weikl<br />
Entwicklung der Dual-Pump-CARS-Spektroskopie zur Untersuchung messtechnisch<br />
komplexer Verbrennungssysteme<br />
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung der Dual-Pump (DP)-CARS-<br />
Spektroskopie im Bereich der Verbrennungstechnik. Das Ziel war es hierbei, ein Mess-system <strong>für</strong> die<br />
Applikation unter besonderen Anwendungsbedingungen, insbesondere bei mess-technisch komplexen<br />
Verbrennungssystemen, bereitzustellen und zu testen. Die Messung der Temperatur in einer laminaren<br />
Diffusionsflamme wurde durch die Anwendung der DP-CARS-Technik in Verbindung mit der erstmalig bei<br />
DP-CARS eingesetzten Unterdrückung des nicht-resonanten Untergrundes experimentell umgesetzt. So<br />
konnte die Beeinflussung des Signals durch Absorption und Emission von C2-Radialen sowie durch einen<br />
erhöhten nichtresonanten Untergrund deutlich reduziert und genaue Messungen der Temperatur auch in<br />
stark rußenden Bereichen durchgeführt werden. Durch eine Kombination der DP-CARS-Methode mit<br />
Rotations-CARS wurde ein Messaufbau vorgestellt, der die Möglichkeit bietet, simultan zur Temperatur die<br />
Relativkonzentrationen verschiedener Moleküle durch Detektion der Vibrationsübergänge von N2, H2 und CO<br />
sowie die Rotationsübergänge von N2, O2, CO und CO2 mit nur einem Detektions-system zu messen.<br />
Dieses Lasersystem wurde schließlich zur Untersuchung der Verbrennung in porösen Medien eingesetzt,<br />
welche durch die schwierige optische Zugänglichkeit aufgrund der Stabilisierung der Verbrennung in einer<br />
Feststoffmatrix als besondere messtechnische Heraus-forderung gilt. Die Untersuchung der Verbrennung im<br />
Porenbrenner erfolgte unter Variationen von thermischer Leistung und Stöchiometrie und zeigte einen großen<br />
Einfluss auf die erreichte Maximaltemperatur, die sich durch das komplexe Zusammenspiel von<br />
Wärmeleitungs- und Strahlungsanteil sowie der Strömung im Inneren der porösen Matrix ergibt. Die<br />
vorliegenden Untersuchungsergebnisse eröffnen erstmalig die Chance, die vorhandenen Ansätze in der numerischen<br />
Simulation der Reaktion innerhalb der porösen Medien detailliert mit Messdaten zu vergleichen<br />
und dadurch verbesserte Modelle zu entwickeln.<br />
Schriftenreihe Heft 9.4<br />
Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba<br />
Dynamic Light Scattering (DLS) fort he Characterization of Working Fluids in Chemical and<br />
Energy Engineering<br />
The present habilitation thesis summarizes and reviews the research activities performed at the Department<br />
of Engineering Thermodynamics (LTT) of the University of Erlangen-Nuremberg during the past two decades<br />
on the field of thermophysical property research by dynamic light scattering (DLS) for the characterization of<br />
working fluids in chemical and energy engineering. These activities have been carried out as a continuation of<br />
the work performed at the Ruhr-University of Bochum (RUB), where Prof. Leipertz was active in this field for<br />
more than ten years before he founded the LTT-Erlangen in 1989. Besides own research activities which are<br />
documented and provided in detail through the contributions published as papers in several international<br />
scientific journals, also previous theoretical and experimental work done by different research groups<br />
accepted worldwide is reviewed. At first an introduction is given pointing out the importance of the<br />
thermophysical properties of fluids for technical applications as well as the motivation for their characterization<br />
by DLS. It deals with DLS from the bulk of fluids and with the application of this method to phase boundaries,<br />
also called surface light scattering (SLS). In the second and third section of this habilitation thesis, the<br />
methodological principles of DLS and its experimental realization for a reliable determination of<br />
thermophysical properties of fluids are presented. In the fourth section, measurement examples are presented<br />
for the variety of thermophysical properties accessible both by DLS from the bulk of fluids and by SLS, i.e.,<br />
thermal and/or mutual diffusivity, dynamic viscosity, speed of sound, and sound attenuation and dynamic or<br />
kinematic viscosity, surface tension, and interfacial tension, respectively. Here, also limitations of the method<br />
regarding the thermodynamic state and the accuracy will be discussed in detail. Finally, a compilation of<br />
thermophysical property data obtained until now at LTT-Erlangen for specific working fluids in chemical and<br />
energy engineering is given.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 9.5<br />
Dipl.-Ing. Marcus Schmid<br />
Untersuchung des Gemischbildungs- und Verbrennungsverhaltens eines DI-Dieselmotors<br />
unter teilhomogenen Bedingungen<br />
Bei der Optimierung bestehender bzw. der Entwicklung neuer motorischer Brennverfahren zur Einhaltung<br />
zukünftiger Abgasemissionsgrenzwerte ist eine Analyse der aus rein konventioneller Prüfstandsmesstechnik<br />
erhaltenen Daten nicht mehr ausreichend und zielführend. Vielmehr ist hier ein deutlich besseres Verständnis<br />
<strong>für</strong> die komplexen innermotorischen Prozesse notwendig, welches, z.B. durch den Einsatz moderner<br />
optischer Messtechnik, erarbeitet werden kann.<br />
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Konzept einer optischen Simultanmesstechnik systematisch<br />
ergänzt, um eine lückenlose Analyse der motorischen Wirkkette Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung,<br />
Zündung und Verbrennung zu ermöglichen. Hierzu wurden vier unterschiedliche Messmethoden kombinativ<br />
an einem optisch zugänglichen DI-Dieselmotor appliziert. Zum Einsatz kamen dabei die Mie-Streulichttechnik,<br />
die laserinduzierte Fluoreszenz, sowie die Detektion des Flammeneigenleuchtens im ultravioletten und<br />
sichtbaren Spektralbereich.<br />
Die Funktionalität und das Potential dieser Simultanmesstechnik wurden anschließend anhand einer<br />
Parameterstudie überprüft. Der Versuchsträger wurde dabei aber nicht im konventionellen DI-Dieselmodus,<br />
sondern teilhomogen betrieben. Die Auswahl der Parametervariationen erfolgte auf Basis einer ausführlichen<br />
Diskussion zu den Einflussgrößen der homogenen Dieselverbrennung, zum Einfluss des Einspritztimings, der<br />
Düsengeometrie, der Kraftstoffart, des Ladedrucks, der Ladelufttemperatur und der AGR-Rate.<br />
Schriftenreihe Heft 10.1<br />
Dipl.-Ing. Michael Rausch<br />
Grundlegende Untersuchungen zur Ursache von Tropfenkondensation an durch<br />
Ionenimplantation modifizierten Metalloberflächen<br />
Die Ursache der sich durch einen im Vergleich zur Filmkondensation deutlich intensivierten Wärmeübergang<br />
auszeichnenden Tropfenkondensation von Wasserdampf an ionenimplantierten Oberflächen wurde in der<br />
Literatur überwiegend auf eine Reduzierung der Oberflächenenergie des Metalls zurückgeführt. In dieser<br />
Arbeit konnte jedoch auf Basis von Kondensationsexperimenten und Oberflächenanalysen gezeigt werden,<br />
dass chemisch inhomogene und sich durch topografische Nanostrukturen auszeichnende Oberflächen mit<br />
der Einstellung von Tropfenkondensation im Zusammenhang stehen. Die Entstehung dieser die<br />
Kondensationsform beeinflussenden Oberflächencharakteristika ist auf partikelartige Ausscheidungen<br />
zurückzuführen, die an ionenimplantierten Oberflächen gebildet werden. Ähnliche Oberflächeneigenschaften<br />
entwickeln sich an unbehandeltem, nichtrostendem Edelstahl spontan während des Kondensationsprozesses<br />
durch Oxidations- und Abtragungseffekte, was ebenfalls zur Einstellung von Tropfenkondensation führt. Im<br />
Rahmen der Untersuchungen wurde erstmals über mehrere Monate hinweg stabile Tropfenkondensation<br />
mittels Ionenimplantation an der Aluminiumlegierung Al 6951 und Titan erzielt.<br />
Eine mögliche Erklärung <strong>für</strong> die beobachteten Kondensationsphänomene an chemisch inhomogenen,<br />
strukturierten Oberflächen liefert eine neu entwickelte Modellvorstellung zum stattfindenden Kondensationsmechanismus.<br />
Diese beruht auf einer bevorzugten Kondensation an topografisch erhöhten Keimstellen,<br />
wobei die sehr schnell ablaufende Vereinigung von benachbarten, anwachsenden Kondensattröpfchen einen<br />
Übergangszustand mit sich in Senken befindenden Dampfeinschlüssen bewirkt. Hieraus resultiert gemäß<br />
dem Benetzungsmodell von Johnson und Dettre eine deutliche Erhöhung des makroskopischen<br />
Kontaktwinkels, womit die Aufrechterhaltung von Tropfenkondensation zu erklären ist.<br />
Wärmetechnische Untersuchungen bei Tropfenkondensation an verchromtem Kupfer ergaben eine um bis zu<br />
7,6-fache Erhöhung des kondensatseitigen Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zur<br />
Filmkondensation. Die Ionenimplantation und ihre Parameter blieben im untersuchten Bereich an<br />
verchromtem Kupfer, nichtrostendem Edelstahl und Titan ohne signifikanten Einfluss auf den<br />
Wärmeübergang.
Berichte zur<br />
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV<br />
Schriftenreihe Heft 10.2<br />
Prof. Dr.-Ing. A. Leipertz<br />
Indo German Seminar on Future Mobility<br />
The Indo-German Seminar on Future Mobility was jointly organized by the Indian Institute of Petroleum (IIP) and the<br />
University Erlangen-Nuremberg (Prof. Dr. A. Leipertz). This proceedings volume contains the German contributions which<br />
formed the main body of the seminar.<br />
IIP in Dehradun is a constituent laboratory of the Council of Scientific & Industrial Research (CSIR), Government of India,<br />
and is celebrating fifty years of its foundation in 2009-10. The Golden Jubilee Celebration includes the organization of a<br />
series of symposia and workshops have been planned on the subjects related to petroleum processing technologies and<br />
also on renewable and alternate sources of energy. The Indo-German Seminar on Future Mobility is focused on the latest<br />
cutting edge technology in I.C. Engine and contains invited German presentations on the areas:<br />
• Future Diesel & Gasoline Engine Technologies including Exhaust Gas Aftertreatment<br />
• Alternative Powertrain Systems, e.g., HCCI and Hybrid Vehicles<br />
• Alternative Fuel Vehicles, e.g. CNG, LPG, Hydrogen, DME, & Biofuels<br />
• Alternative Energy Vehicles, e.g., Electric Vehicles<br />
The presentations have been given by well-known technical experts from Germany and India, from Germany in alphabetic<br />
order by Prof. Dr.-Ing. Thomas Blotevogel, Department of Mechanical Engineering, University of Applied Science,<br />
Würzburg-Schweinfurt, Dr.-Ing. Stefan Kampmann, Executive Vice President, Automotive Electronics, Robert Bosch<br />
GmbH, Reutlingen, Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz, Head of the Institute of Engineering Thermodynamics (LTT), Director of<br />
Department of Chemical and Bioengineering and Director of Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies<br />
(SAOT), Friedrich-Alexander University, Erlangen-Nuremberg, Prof. Dr.-Ing. Nadejda Popovoska, Head of the Division<br />
CVD-Processes at the Institute of Chemical reaction Engineering, Friedrich-Alexander University, Erlangen-Nuremberg,<br />
Dr.-Ing. Friedrich Rabenstein, Section Head, BMW Group, Munich, Prof. Dr.-Ing. Heiner Ryssel, Professor Emeritus,<br />
Institute of Electron Devices, Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, and Director Emeritus, Fraunhofer<br />
Institute for Integrated Systems and Device Technology, Erlangen, Dr. A. Velji, Manager, and Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher,<br />
Head of Institute of Reciprocating Engines, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe & Prof. Dr.-Ing. Michael Wensing,<br />
Deputy<br />
Head of Institute of Engineering Thermodynamics (LTT), Friedrich-Alexander University, Erlangen-Nuremberg