Abstract in German:

Ein detailliertes Verständnis von Verbrennungsprozessen und der zugehörigen Bildung von Schadstoffen kann nur auf Grundlage detaillierter Kenntnisse über die Bedingungen im Brennraum erfolgen. Die zeitliche und räumliche Entwicklung der Kraftstoff- und Luftverteilung ist dabei eine besonders wichtige Größe. Um solche Informationen zu erhalten, die auch für die Validierung von 3D-CFD-Simulationen essentiell sind, sind quantitative, genaue und störungsfreie Messtechniken erforderlich. Zur Untersuchung der Kraftstoff-Luft-Gemischbildung ist die Rayleighstreuung ein vielversprechendes Verfahren, da der Zusammenhang zwischen Signalstärke und lokaler Kraftstoffkonzentration relativ leicht ermittelt werden kann und unabhängig von lokalen Umgebungseigenschaften wie Temperatur, Druck und Sauerstoffgehalt ist. In Rahmen dieser Arbeit wurden verdampfende Dieselsprays mittels kombinierter Rayleigh- und Mie-Streulichtmesstechnik untersucht. Die Messungen erfolgen in einer optisch zugänglichen Hochdruck-, Hochtemperatur-Brennkammer, in welcher Umgebungsbedingungen realisiert werden können, die denen einer Dieseleinspritzung entsprechen. Für quantitative 2D-Messungen der Kraftstoffkonzentration wurde ein Einkomponenten-Kraftstoff (n-Dekan) verwendet, die Einspritzungen erfolgten in einer inerten Umgebung und eine Kalibriermethode mit Propan als Referenzgas wurde entwickelt und getestet. Diese Methode führt zu einer relativen Genauigkeit von ca. 4% im Bereich der Sprayachse und 10% am Sprayrand. Die Trennung zwischen Licht, das von flüssigen Kraftstofftröpfchen oder verdampften Kraftstoff gestreut wurde, ist allerdings schwierig, da es sich in beiden Fällen um elastische Streuprozesse handelt. Im ersten Fall (Miestreuung) ist die Tröpfchengröße im Vergleich zur Wellenlänge des einfallenden Laserlichtschnitts sehr hoch; im zweiten Fall (Rayleighstreuung) sind die Streuzentren einzelne Kraftstoffmoleküle und damit viel kleiner als die einfallende Wellenlänge. Im Spray können drei unterschiedliche Bereiche identifiziert werden, wenn die Polarisation des einfallenden und des gestreuten Lichts berücksichtigt wird. Charakteristisch für diese Bereiche ist eine moderate, geringe oder vernachlässigbar geringe Konzentration an nicht-verdampften Kraftstofftröpfchen. Für die zugehörigen Experimente wurden zwei unterschiedliche Konfigurationen untersucht: Zuerst wurde mit einer einzelnen Kamera gearbeitet und die unterschiedlichen Polarisationkomponenten nacheinander aufgezeichnet. In einem zweiten Schritt wurden zwei Polarisationszustände simultan, d.h. während der gleichen Einspritzung, aufgezeichnet. Im Vergleich zu rein qualitativen Aufnahmen der flüssigen und verdampften Anteile eines Sprays, die z.B. mit einer kombinierten Schlieren-/Mie-Technik erzielt werden können, sind die Rayleigh-/Mie-Bilder deutlich detaillierter und können teilweise quantitativ ausgewertet werden. Die Anwendbarkeit der Technik wird jedoch bei niedrigen Temperaturen durch eine unzureichende Trennung zwischen flüssigem und verdampftem Kraftstoff begrenzt, und bei sehr hohen Temperaturen durch die Pyrolyse der Kraftstoff-moleküle.