Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV

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1 Schriftenreihe Heft 93.1 Dipl.-Ing. Kai-Uwe Münch Anwendung der zweidimensionalen Mie-Streulichttechnik zur Diagnose des Einspritzprozesses im Brennraum eines direkteinspritzenden PKW-Dieselmotors Im Rahmen des Berichtes werden Messungen der Sprayausbreitung innerhalb der Kolbenmulde eines 1.9 l DI Dieselmotors mit einer zweidimensionalen Streulichttechnik beschrieben. Es wurden die Strahleindringtiefen und Kegelwinkel der sich ausbreitenden Strahlen einer Fünflochdüse gemessen. Aus den gemessenen Flüssigkeitsverteilungen in einer definierten Lichtschnittebene unterhalb des Zylinderkopfes wurde die statistische Information des Auftretens von flüssigem Kraftstoff, ausgedrückt durch eine Erscheinungs-Häugigkeitsverteilung (EHV), berechnet. Dieses Verfahren wurde notwendig, da die Messungen zeigten, daß die Flüssigkeitsverteilungen im Lichtschnitt großen Zyklusfluktuationen unterlagen. Die berechneten EHVs beschreiben nun diese Verteilung im Lichtschnitt. Diese Art der Beschreibung eignet sich zur Verifizierung von numerisch erzielten Ergebnissen, die in der Lage sind, eine mittlere, nicht Zyklusschwankungen unterliegende Flüssigkeitsverteilung vorherzusagen. Aus den Untersuchungen konnten empirische Gleichungen zur Beschreibung der Strahleindringtiefe im Motor hergeleitet werden. Die Meßergebnisse der Strahlkegelwinkel lieferten eine eingeschränkte Übereinstimmung mit Ansätzen aus der Literatur und verdeutlichten die schwierige Vergleichbarkeit solcher Untersuchungen aufgrund unterschiedlicher Versuchsbedingungen. Einen bedeutenden Teil der beschriebenen Arbeit nahm die Entwicklung eines Meßsystems in Anspruch, das auf Grundlage der Teilchenstreuung (Mie-Streuung) arbeitet. Am Ende der Entwicklungsarbeit standen eine Meßtechnik und ein Auswerteverfahren zur Verfügung, das die Vorteile von integralen zweidimensionalen optischen Meßtechniken mit den Vorteilen von Laserlichtschnitttechniken verknüpft. Das vollständig entwickelte Meßsystem arbeitet sehr gut unter motorischen Bedingungen und ist in der Lage, einen großen Betrag zuverlässiger Meßdaten in nur kurzer Meßzeit zu liefern. Teure Prüfstandszeiten können somit reduziert werden. Schriftenreihe Heft 93.2 Dipl.-Phys. Eggert Magens Nutzung von Rotations-CARS zur Temperatur- und Konzentrationsmessung in Flammen In dem Bericht werden die Nutzungsmöglichkeiten von Breitband-Rotations-CARS zur technischen Anwendung für die gleichzeitige Temperatur- und Konzentrationsmessung dargestellt. Dazu wird eine neue Auswertemethode für die Spektren linearer Moleküle entwickelt, die allgemein für reine Gase wie auch für Gasmischungen angewendet werden kann. Zur geschlossenen mathematischen Behandlung wird eine neue Darstellung auch zur Berechnung von Theoriespektren entwickelt, die für die Auswertung als Vergleichsmaßstab benötigt wird. Dabei wird der Berechnungsaufwand ohne weitergehende Näherungsannahmen auf das für die Auswertung benötigte Minimum begrenzt. Die Anwendbarkeit des Modells und der Auswertemethode wurde für Breitband-Rotations-CARS-Spektren und einfache Systeme aus N 2 zur Thermometrie aber auch zur Analyse einfacher Gasmischungen für die gemeinsame Temperatur- und Konzentrationsmessung erprobt. Das Auswerteverfahren selbst wurde in einer Vielzahl von Tests auf Robustheit überprüft und mit bekannten Verfahren verglichen. Im Rahmen der statistischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß mit Rotations-CARS potentiell auch bei hohen Temperaturen eine zum Vibrations-CARS-Verfahren vergleichbare Meßgenauigkeit erzielbar, die Genauigkeit der Temperaturbestimmung aber stark verfahrensabhängig ist. Zur Berechnung von Rotationsspektren nichtlinearer Moleküle wird ein geschlossenes Berechnungsverfahren angegeben. Anhand einiger Beispiele kann die prinzipielle Übereinstimmung von Rechnung und Experiment gezeigt werden.

2 Schriftenreihe Heft 94.1 Dipl.-Phys. Thomas Seeger Anwendungsvergleich von Vibrations- und Rotations-CARS in der technischen Verbrennung Auf Grundlage experimenteller Untersuchungen werden Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in der technischen Verbrennung verglichen. Die Charakterisierung der bisher wenig gebräuchlichen Rotations-CARS-Verfahren ist Schwerpunkt der Untersuchungen. Die vorgestellten Ergebnisse beschränken sich auf die Temperatur- und Konzentrationsbestimmung bei atmosphärischen Verbrennungsvorgängen. Das verwendete CARS-System ist so konzipiert, daß mit geringen Modifikationen des Gesamtsystems dieses sowohl für Vibrations- als auch für Rotations-CARS-Techniken genutzt werden kann. Auf Grund der zur Analyse von Verbrennungsvorgängen notwendigen zeitlichen Auflösung wurde nur die sogenannte Breitband- CARS-Technik eingesetzt. Die Systemüberprüfung wurde in einem Hochtemperaturofen durchgeführt, in dem definiert Temperaturen von 300 K bis 2000 K eingestellt werden konnten. Auf diese Weise war eine Beurteilung der verschiedenen CARS-Verfahren hinsichtlich Meßgenauigkeit und Standardabweichung möglich. Die technische Nutzbarkeit von Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken wurde durch Untersuchungen an einem turbulenten Vormischbrenner in Zusammenarbeit mit ASEA BROWN BOVERI am LTT-Erlangen demonstriert. So konnte das Potential der eingesetzten Meßmethoden für die Temperaturbestimmung und die Bestimmung der Konzentrationsanteile für N 2 und O 2 gezeigt werden. Schriftenreihe Heft 94.2 Dipl.-Phys. Stefan Kampmann Entwicklung einer zweidimensionalen Laser-Rayleigh-Temperaturmeßsonde zur Untersuchung hochturbulenter Verbrennungsvorgänge in einem industriellen Drallbrenner In dem Bericht werden Messungen von zeitlich und räumlich hochaufgelösten Temperaturfeldern an einem industriellen Drallbrenner innerhalb einer abgeschlossenen Brennkammer beschrieben. Aus den Ergebnissen konnten die globalen Strukturen der hochturbulenten Methan/Luft-Flamme bei verschiedenen Betriebsbedingungen bestimmt werden. Durch eine hohe Anzahl von Einzelmessungen an verschiedenen Axialpositionen der reagierenden Strömung war es dabei möglich, das gesamte Verbrennungsfeld mit Hilfe von Temperatur-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen zu charakterisieren. Eine Aussage über die Wechselwirkung zwischen turbulentem Strömungsfeld und chemischer Reaktion der Verbrennung erlaubte die Messung der inneren Struktur der Verbrennung in Form von Flammenfrontdicken. Einen bedeutenden Teil der beschriebenen Arbeit nahm die Entwicklung eines Meßsystems in Anspruch, das auf Grundlage der Rayleigh-Streuung eine Temperaturbestimmung erlaubt. Störende Interferenzen des Rayleigh-Signales mit Mie-Streulicht und laserinduzierten Reflexionen an Brennraumoberflächen konnten durch geeignete konstruktive Maßnahmen reduziert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeit wurde durch den Wechsel auf eine UV-Laserquelle hoher Leistung und die damit verbundene Erhöhung der Signalphotonen die Genauigkeit der Temperaturbestimmung beträchtlich verbessert. Der simultane Einsatz der Rayleigh-Temperatursonde mit einer im Bericht 94.1 beschriebenen CARS-Meßsonde erlaubte Temperaturmessungen mit Genauigkeiten von 50 K. Um neben den Temperaturinformationen auch Aussagen über die Stärke der ablaufenden Verbrennungsreaktionen zu erhalten, wurde eine Filteroptik entwickelt, die es erlaubt, mit Hilfe einer Laserquelle und eines Kamerasystems simultan Temperaturfelder und OH-Konzentrationverteilungen in dem Verbrennungsfeld zu bestimmen.

3 Schriftenreihe Heft 95.1 Dipl.-Ing. Ralf Obertacke Heinrich-Mandel-Kraftwerkspreis 1995 der VGB-Forschungsstiftung Ein emissionstomographisches Sensorsystem für die Bestimmung zweidimensionaler Temperatur- und Radikalenfelder in Feuerungen In diesem Bericht wird ein optisches Sensorsystem vorgestellt, das die zweidimensionale Verteilung der Temperatur und relevanter Radikale in Verbrennungssystemen erfaßt. Dazu wird die Bandenstrahlung der Radikale zusammen mit der Schwarzkörperstrahlung von Asche und Ruß spektroskopisch erfaßt und ausgewertet. Durch die Verwendung der Flammeneigenstrahlung kann auf komplexe und empfindliche (Laser-)Lichtquellen für Absorptionsmessungen verzichtet werden, wodurch sich das System für den Einsatz in industriellen und Kraftwerksumgebungen eignet. Die Radikale NO, OH, CN, NH und CH wurden als Führungsgrößen für die NOx-Bildung ermittelt und im Spektralbereich zwischen 260 nm und 480 nm detektiert. Trotz des fehlenden thermischen Gleichgewichtes für die elektronischen Übergänge kann durch eine breitbandige Detektion die Gesamtintensität einer Bande als relatives Konzentrationsmaß verwendet werden. Die Verwendung des UV/VIS-Spektrums auch für die Temperaturbestimmung erweist sich als besonders vorteilhaft in Feststoffeuerungen, die eine starke IR-Strahlung aufweisen. Am Beispiel der NOx-Reaktionskinetik wird gezeigt, daß schon bei eindimensionaler Detektion durch die simultane Bestimmung der Temperatur und der Radikalenintensitäten Korrelationen mit den Rauchgaswerten gefunden werden können, wodurch eine sofortige Beurteilung des Verbrennungsprozesses und ein sofortiger Eingriff in diesen ermöglicht wird. Das Meßprinzip des neuen Sensorsystems wurde bisher in Steinkohle- und Braunkohlestaubfeuerungen, Gasfeuerungen und Sondermüllverbrennungen getestet. In der Sondermüllverbrennung eignen sich die NH- und CN-Radikale als Indikatoren für den Temperaturverlauf und die NOx-Produktion. Durch die Verwendung eines neuen tomographischen Auswerteverfahrens mit statistischen Algorithmen können auch mit nur zwei Projektionen lokale Temperatur- und Intensitätswerte rekonstruiert werden. Es werden die radiale Intensitätsverteilung und der Temperaturverlauf in einer Braunkohlestaubflamme dargestellt. Für eine große Propanflamme wurde die axiale Verteilung des CH-Radikals rekonstruiert. Neben der Verwendung als reines Monitoringsystem für die Überwachung von Einzelbrennern und von Ebenen eines Verbrennungsfeldes ist wegen der simultanen Bestimmung der lokalen Temperaturen und Radikalenintensitäten eine Beurteilung des Verbrennungsablaufs und der Reaktionskinetik möglich, die über entsprechende Stellgrößen eine Feuerungsregelung in Aussicht stellt. Schriftenreihe Heft 95.3 Dipl.-Phys. Stefan Will Viskositätsmessung mit der Dynamischen Lichtstreuung Die Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine laseroptische Korrelationstechnik, mit der berührungslos und ohne aufgeprägte äußere Gradienten eine Vielzahl von Transportkoeffizienten und anderen Stoffdaten gemessen werden kann. Dieser Bericht befaßt sich damit, ob und wie diese Methode zur Bestimmung der dynamischen Viskosität von Flüssigkeiten erweitert werden kann. Grundlage der Technik bilden die Dispergierung von kugelförmigen Partikeln im Submikronbereich in die Untersuchungsflüssigkeit und die Messung des Partikeldiffusionskoeffizienten, der unmittelbar mit der Viskosität verknüpft ist. Zum erfolgreichen Einsatz der Technik müssen allerdings eine Reihe von Punkten beachtet werden, die hier erstmalig systematisch diskutiert werden und welche insbesondere mögliche Abweichungen von den zugrundeliegenden Arbeitsgleichungen und damit verknüpft die Auswertung der expe-rimentellen Korrelationsfunktionen sowie die Eigenschaften der notwendigen Streupartikel betreffen. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wurden die Viskositäten verschiedener beispielhafter Reinstoffe sowie eines Öls als Vertreter eines Vielkomponentengemisches gemessen, wobei der abgedeckte Viskositätsbereich etwa 0,2 bis 40 mpa.s umfaßte. Diese grundlegenden Untersuchungen wurden überwiegend bei Umgebungsbedingungen durchgeführt. Für Messungen über einen erweiterten Temperaturbereich wurde ein Thermostat mit einem neuartigen optischen System konzipiert und aufgebaut; exemplarisch wurde dann die Viskosität von n-heptan im Bereich von 20 C bis 80 C bestimmt. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, daß die Dynamische Lichtstreuung auch zur Viskositätsmessung sinnvoll einsetzbar ist. Insbesondere durch die in diesem Bericht aufgezeigten Möglichkeiten, mit exakten Arbeitsmodellen, wenigen Meßgrößen und daher geringem apparativen Aufwand sowie unter Umständen in Kombination mit anderen Transportkoeffizienten die Viskosität bestimmen zu können, machen diese Technik insbesondere für Anwendungen, in denen die Messung im thermodynamischen Gleichgewicht von Bedeutung ist, interessant.

4 BERICHTE ZUR BEV ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz Schriftenreihe Heft 95.2 Motorische Verbrennung - aktuelle Probleme und moderne Meßverfahren Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V. Essen, 28./29. März 1995 Erhöhte Anforderungen an moderne Fahrzeugantriebe erfordern eine deutliche Verbesserung der motorischen Verbrennung hinsichtlich Brennstoffeinsatz (Effizienz) und Umweltverträglichkeit (Schadstoff- und Partikelemissionen). Angestrebte Weiter- oder Neuentwicklungen sind nur zu erzielen über eine vorherige, immer stärker detaillierte Erfassung der Einzelvorgänge, die im jeweiligen Prozeßfortschritt für das Gesamtverhalten des Motors verantwortlich zeichnen. Die Gewinnung solcher Erkenntnisse innerhalb des Motors muß mit hoher lokaler und zeitlicher Auflösung und möglichst störungsfrei erfolgen. Moderne Meßverfahren - in der Regel optische, meist laserbasierende Meßtechniken - werden verstärkt entwickelt und eingesetzt, um diese Prozesse zu untersuchen und damit das notwendige Verständnis über einzelne Details der motorischen Verbrennung und ihres Zusammenspiels zu schaffen. Ausgehend von einer Problemdarstellung aus Sicht der einschlägigen Industrie werden zur Lösung moderne Meßverfahren und ihr exemplarischer Einsatz vorgestellt bei der Untersuchung der relevanten Teilprozesse Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung, Zündung, Verbrennung, Flammenausbreitung, Schadstoffbildung und in der Abgaserfassung. Mit Schwerpunkten in der zweidimensional - flächenhaft auflösenden Meßtechnik, mit denen nur eine Strukturerkennung in den vorliegenden turbulenten Strömungs- und Verbrennungsfeldern möglich ist und primärseitige Verbesserungsmaßnahmen direkt am Ort des Geschehens überprüft werden können, werden Meßverfahren vorgestellt und ihr Einsatz diskutiert in der Erfassung des Strömungs- und Geschwindigkeitsfeldes, der Verteilung von Gas- und Flüssigkeitsphase, des Zündvorganges und der Flammenausbreitung in Verbindung mit den auftretenden Temperatur- und Konzentrationsfeldern, der Schadstoff- und (gegebenenfalls) Rußentstehung sowie deren Nachweis im Abgasbereich. Der Berichtsband gibt in schriftlicher Form auf 259 Seiten mit 199 Abbildungen die 19 Beiträge der gleichnamigen Veranstaltung im Haus der Technik im März 1995 wieder. Referenten aus der Automobilindustrie (BMW AG, Daimler-Benz AG, Volkswagen AG), von Zulieferunternehmen (Robert Bosch GmbH, NKG Spark Plug Co.) sowie von einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (Bruker-Franzen Analytik GmbH, Inst. Motorenbau Prof. Huber GmbH, VDI-TZ Phys. Techn., RWTH Aachen, U Erlangen-Nürnberg, U Heidelberg, TH Karlsruhe, U Stuttgart) garantieren einen hohen aktuellen Stand in der vorgestellten Problembearbeitung. Erlangen 1995

5 Schriftenreihe Heft 95.4 Dipl.-Ing. K. Kraft DKV-Nachwuchsförderpreis für besondere wissenschaftliche Leistungen 1996 Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung transparenter Fluide mittels der Dynamischen Lichtstreuung In diesem Bericht wird die Anwendung der Dynamischen Lichstreuung zur Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung beschrieben. Dieses laseroptische Meßverfahren erlaubt die Bestimmung der genannten Größen im thermodynamischen Gleichgewicht. Auf diese Weise können Meßwerte in ansonsten nur schwer zugänglichen Zustandsbereichen gewonnen werden. Herausragend sind hier die Phasengrenzkurven sowie das kritische Gebiet. Im ersten Teil des Berichtes werden die Grundlagen des Meßverfahrens dargestellt. Dabei werden grundlegende Fragen nach möglichen Artefakten zum Teil erstmals quantitativ diskutiert. Ein wesentliches Ergebnis ist, daß die Dynamische Lichtstreuung zur Zeit das einzige optische Verfahren zur Bestimmung der Schalldämpfung im unteren Frequenzbereich ist, das ohne wesentliche systematische Fehler mißt. Im weiteren werden grundlegende Überlegungen und Abschätzungen gezeigt, die konsequent zum optimalen Versuchsaufbau für diese Art von Messungen führen. Neben dem optischen Aufbau und einer geeigneten Zellgeometrie wird auch ein Thermostat für Messungen eines weiteren Zustandsbereiches um den kritischen Punkt vorgestellt. Im experimentellen Teil werden die theoretisch abgeschätzten Fehlergrenzen anhand von Messungen an neuen Kältemitteln validiert. Dabei werden umfangreiche Datenvergleiche durchgeführt, die deutlich den Anwendungsbereich und Nutzen dieser Technik zur Verbesserung der Datenlage besonders nahe der Siedeund Taulinie sowie im weiteren kritischen Gebiet aufzeigen. Neben Messungen an Reinstoffen wird exemplarisch auch die Einsetzbarkeit des Verfahrens zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Gemischen gezeigt. Neben der Schallgeschwindigkeit werden auch Ergebnisse für die frequenzabhängige Schalldämpfungskonstante vorgestellt. Diese Ergebnisse erlauben grundsätzliche Aussagen über innermolekulare Ausgleichsvorgänge und Anregungsfrequenzen sowie die Berechnung der ansonsten selten gemessenen Volumenviskosität. Schriftenreihe Heft 95.5 Dipl.-Ing. Dimosthenis Trimis Verbrennungsvorgänge in porösen inerten Medien In dieser Arbeit wird eine neues Konzept für einen Gasbrenner mit integriertem Wärmetauscher erarbeitet, das sich entscheidend von den konventionellen Techniken abhebt. Bei diesem Konzept findet der Verbrennungsprozeß nicht, wie üblich, mit frei brennenden Flammen in einem Brennraum statt, sondern innerhalb der Poren eines porösen inerten Mediums. Die daraus resultierenden wichtigen Vorteile für den Verbrennungsprozeß werden ausführlich beschrieben. Der Wärmetransport innerhalb der Verbrennungszone wird gegenüber freien Flammenfronten dadurch intensiviert, daß eine andere Phase, die um Größenordnungen bessere Wärmetransporteigenschaften besitzt, eingebracht wird. Die Intensivierung des Wärmetransports innerhalb der Reaktionszone durch das poröse inerte Medium kann die chemische Reaktion bei erhöhten Brenngeschwindigkeiten stabilisieren. Ein Konzept, das die Zündung und Stabilisierung von Verbrennungsvorgängen in porösen inerten Medien erlaubt, wird vorgestellt und führt zu einer typischen Auslegung solcher "Porenbrenner". Die Umsetzung zu praktischen Brennereinheiten, die für den Haushaltsbereich geeignet sind, wird dargestellt. Die Brennereinheiten verfügen über einen integrierten Wärmetauscher, so daß Gesamtheizungsanlagen mit sehr kleinen Abmessungen realisiert werden können. Die Auslegungsarbeiten und Experimente werden durch detaillierte Berechnungen des Wärmetransports im Porenkörper ergänzt. Aus den Experimenten mit verschiedenen Brennerprototypen werden die technischen Daten solcher "Porenbrenner" mit integriertem Wärmetauscher ermittelt und Verbesserungsvorschläge erarbeitet, um einige Betriebsparameter noch weiter zu optimieren. Die technischen Daten zeigen, daß die hier vorgestellte Technik den meisten heutigen Brennertechniken im Haushaltsbereich überlegen ist, wobei die kompakte Geometrie, die niedrigen Emissionen, die hohe Leistungsmodulation, die hohe Verbrennungsstabilität und die relativ einfache (und somit kostengünstige) Bauweise als Hauptvorteile zu nennen sind.

6 Schriftenreihe Heft 96.1 Dipl.-Phys. Frank Peter Einfluß der Ladungsbewegung auf den Verbrennungsablauf im Ottomotor Der erhebliche Einfluß des Ladungsbewegungszustandes auf den Verbrennungsablauf ist als empirische Erfahrung bekannt. Im vorliegenden Bericht wird versucht, die Wirkmechanismen aufzuklären und quantitative Zusammenhänge anzugeben. Dazu werden durch verschiedene konstruktive Parameter in den Ansaugkanälen und im Brennraum sowie Betriebsparameter (Drehzahl, Last) verschiedene Ladungsbewegungszustände erzeugt, deren Auswirkung auf die Verbrennung durch Druckindizierung bestimmt werden. Die Ladungsbewegungszustände selbst werden durch Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) hoch zeitaufgelöst vermessen. In unterschiedlichen Strömungsmessungen und Auswertungen konnten Aussagen zum mittleren Strömungsfeld, zum Verlauf der Turbulenz, zum Einfluß des turbulenten Energiespektrums, des integralen Längenmaßes und des Strömungszustandes zwischen den Zündkerzenelektroden gemacht werden. Es zeigte sich, daß verbrennungsseitig vor allem die Flammenfrontfaltung gut mit den Ergebnissen der Strömungsmessungen korreliert. Durch Untersuchung der Zylinderdruckverläufe von verschiedenen strömungsgenerierenden Maßnahmen bei zwei Zündkerzenpositionen wurde eine indirekte Proportionalität der Flammenfrontfaltung mit der Brenndauer nachgewiesen. Durch hohe Grundströmung, hohe Turbulenz sowie große Längenmaße kann die Verbrennung beschleunigt werden. Diese Parameter sind dann am wirksamsten, wenn sie an der Zündkerze und in zeitlicher Nähe zum Zündzeitpunkt auftreten. Schriftenreihe Heft 96.3 Dipl.-Ing. Michael Hortmann Numerische Simulation und Optimierung von Wärmeübertragern In diesem Bericht wird ein Finite-Volumen-Verfahren zur numerischen Strömungsberechnung mit Wärmeübergang vorgestellt und zur Berechnung und Zustandsoptimierung von Wärmeübertragern angewendet. Um den Wärmeübertrager als komplette Einheit simulieren zu können, wurde das Multifluid- Multikanalkonzept implementiert, das die gleichzeitige Berücksichtigung aller am Wärmedurchgang beteiligten Fluide erlaubt und die Berechnung der Temperaturverteilung in den Trennwänden und Rippen ermöglicht. Restriktive Randbedingungen, wie die Angabe von Wandtemperaturen und Wandwärmeströme sind nicht mehr notwendig. Das numerische Verfahren berücksichtigt körperangepaßte Gitter, mit denen die komplexen Geometrien eines Wärmeübertragers modelliert werden können. Turbulente Strömungen werden mit dem k-ε- Modell sowohl mit Wandfunktionen, als auch als Low-Re-Erweiterung mit Dämpfungsfunktionen simuliert. Die gekoppelte Lösung der Impulsgleichung und der Kontinuitätsgleichung erfolgt unter Zuhilfenahme einer Druckkorrekturgleichung nach dem SIMPLE-Verfahren. Als Gleichungslöser wird ein hocheffizienter und stabiler Löser verwendet. Im Dreidimensionalen entstehen bei der Diskretisierung komplexer Geometrien numerische Gitter mit mehreren hunderttausend Stützstellen. Zur Rechenzeitverkürzung ist ein Mehrgitterverfahren implementiert, dessen Glättungseigenschaften eine Konvergenzbeschleunigung erlauben. Der in dreidimensionalen Berechnungen hohe Speicherplatzbedarf kann durch moderne Hochleistungsparallelrechner befriedigt werden, da das hier vorgestellte Verfahren mit der Technik der Gebietszerlegung parallelisiert wurde.

7 BERICHTE ZUR BEV ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz Schriftenreihe Heft 96.2 Hochleistungs- wärmeübertragung Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V. Essen, 29./30. Oktober 1996 Die Bereitstellung großer Wärmemengen oder deren Abfuhr auf kleinstem Raume stellt in vielen Bereichen technischer Anwendung ein Problem dar, dessen Lösung oftmals entscheidende Voraussetzung für die Realisierung des geplanten technischen Prozesses selbst ist. Dies gilt für Anwendungen in der Elektro - und Computertechnik, der allgemeinen Prozeß- und Anlagentechnik, der Wärme-Kraft-Prozesse vom Automobil bis hin zur Kraftwerkstechnik, gleichermaßen aber auch für die Heizungs-, Kühl- und Klimatechnik. Eine Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung führt zu einer Verkleinerung der Gesamtdimensionen und somit des Gewichtes der Übertragungseinheiten und/oder zur Reduktion der notwendigen Temperaturdifferenzen. Die Realisierung großer Wärmeübergangskoeffizienten ist mit aktiven und passiven Methoden möglich. Neben einer gezielten Beeinflussung des Strömungsfeldes durch z.b. Turbulenzgeneratoren unterschiedlicher Art oder beweglichen Einbauten, die jeweils auftretende thermische Grenzschichten möglichst dünn halten sollen, ist die Nutzung von Phasenübergängen (Verdampfung und Kondensation) ein bewährtes Mittel. Wichtige Randbedingungen bilden dabei oftmals Fragen der Effizienz von Wärmeübertragungseinheiten hinsichtlich der aufzuwendenden Pumpleistung und der Wirkung von Verschmutzungserscheinungen. Der Berichtsband gibt in schriftlicher Form auf 339 Seiten mit 214 Abbildungen die 16 Beiträge der gleichnamigen Veranstaltung im Haus der Technik im Oktober 1996 wieder. Neben grundsätzlichen Betrachtungen zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung unter Berücksichtigung der Effizienz werden von ausgewiesenen Experten aus Forschung und Entwicklung einzelne Verfahren mit ihren modernen Entwicklungen vorgestellt und Problemkreise, wie z.b. das Fouling, ausführlicher behandelt. An ausgewählten Beispielen werden in der Praxis erprobte Methoden von Vertretern aus unterschiedlichen Industriezweigen vorgestellt und moderne Lösungsansätze besprochen. Einzelne Beiträge sind verfaßt von Mitarbeitern der Firmen BASF, Behr, BMW, INNEX, GEA, Siemens, Siemens-KWU und der Universitäten Bochum, Chemnitz-Zwickau, Erlangen-Nürnberg, Guildford/Surrey (GB), Hannover und Stuttgart. Erlangen 1996

8 Schriftenreihe Heft 96.4 Dipl.-Ing. Gerd Koch Untersuchungen zur Tropfenkondensation auf metallischen, hartstoffbeschichteten Oberflächen Dieser Bericht behandelt die Prüfung neuartiger Promoterschichten (Hartstoffschichten) zur Realisierung der Tropfenkondensation (TK) auf unterschiedlichen Metallen, die Charakterisierung der Leistungsfähigkeit bei der mit Wasserdampf unter Umgebungsdruck untersuchten Kondensationsform und die Feststellung zum Einfluß unterschiedlicher Systembedingungen wie Randwinkelgröße, Wandneigung, Art des Wandmaterials auf den Wärmeübergangskoeffizienten, sowie definierter Mischformen von Filmkondensation (FK) und TK. Modellrechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode bestätigen die meßtechnischen Feststellungen bei den inhomogenen und instationären Übertragungsvorgängen auf der TK-Oberfläche. Die Prüfung der Funktionstüchtigkeit von Versuchsanlage und Meßtechnik wurde mit FK-Messungen in sehr guter Übereinstimmung zur Nusseltschen Wasserhauttheorie vorgenommen. Die TK ermöglicht Wärmeübergangskoeffizienten, die um eine Größenordnung größer sind als bei FK. Die Tropfenkondensation wird möglich, falls zwischen Wand und Kondensat unvollständige Benetzung herrscht. Metalle, die aufgrund guter Wärmeleitfähigkeit, der Vielfalt der Gestaltungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten und der guten Festigkeitseigenschaften bevorzugt als Baumaterialien für Wärmeübertrager genutzt werden, sind von nahezu allen Flüssigkeiten vollständig benetzbar (FK). Über eine Beschichtung der metallischen Oberfläche mit Substanzen deutlich geringerer Oberflächenenergie können die für die TK nötigen Benetzungsverhältnisse jedoch eingestellt werden. Dazu geeignete Schichten müssen einem umfangreichen Anforderungsprofil entsprechen, denn, wie zahlreiche Untersuchungen zeigen, treten bei bereits bekannten Schichten Stabilitätsprobleme auf und damit ein frühzeitiger Übergang von TK zu FK. Die Hartstoffschichten zeigen Vorteile (günstige mechanische und tribologische Eigenschaften, hohe chemische Widerstandsfähigkeit und Temperaturstabilität bis zu ca. 400 C) und sind zur Durchführung systematischer Untersuchungen bei TK ausgezeichnet geeignet, weil Variationen im Herstellungsprozeß gezielt die Realisierung unterschiedlich ausgeprägter Benetzungsverhältnisse ermöglichen. Schriftenreihe Heft 97.2 Dipl.-Ing. Daniel Hofmann Promotionspreis 1998 der Technischen Fakultät Universität Erlangen-Nürnberg Zeit- und ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur- und Konzentrationsverteilung in technischen Verbrennungssystemen über die gefilterte Rayleigh-Streuung (FRS) In dieser Arbeit wird die Fortentwicklung der Rayleigh-Streulichttechnik für eine verbesserte Nutzung in technischen Verbrennungssystemen in Form der gefilterten Rayleigh-Streuung (FRS) vorgestellt. Eine optische Filtertechnik verringert hierbei deutlich den größten Nachteil der Rayleigh-Streuung, die Empfindlichkeit gegen Streulicht von Partikeln und Oberflächen. Mit der FRS-Technik können die gleichen Meßgrößen erfaßt werden wie mit der konventionellen Rayleigh- Streuung. Da durch die optische Filterung die direkte Proportionalität der detektierten Intensität zur Anzahldichte im Meßvolumen verloren geht, muß zur Bestimmung von Druck- und Temperaturverteilungen durch geeignete Modelle die spektrale Form der Rayleigh-Linie in ihrer Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Spezies berücksichtigt werden. Mit der in dieser Arbeit angewandten Detektions- und Auswertetechnik sind Messungen von 2d-Verteilungen im Einzelschuß möglich. Solche Messungen wurden unter anderem an einer rußenden Flamme durchgeführt. Diese Flammen waren auf Grund der Interferenzen mit der Lichtstreuung an den Rußpartikeln bisher für Temperaturmessungen mit optischen Meßtechniken nicht einfach oder gar nicht zugänglich. Durch die FRS-Technik werden auch Messungen an eingeschlossenen Meßobjekten durch die Unterdrückung des Streulichts wesentlich erleichtert, wodurch bei Untersuchungen an technisch relevanten Meßobjekten wie z.b. geschlossenen Brennkammern oder in Verbrennungsmotoren eine wesentlich höhere Seriennähe des Versuchsträgers erreicht werden kann. Die Reduktion des Streulichts von gelegentlich im Brennraum auftretenden Flüssigkeitstropfen läßt dabei auf ein großes Potential der FRS-Technik zur Untersuchung von Flüssigverbrennungen schließen.

9 BERICHTE ZUR BEV ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz Schriftenreihe Heft 97.1 Motorische Verbrennung - aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze (III. Tagung) Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V. Essen, 18./19. März 1997 Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind - nach den bereits in der Vergangenheit erzielten deutlichen Reduzierungen - die Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen rechtzeitig zu realisieren. Neben einer Verbesserung derzeit eingesetzter Verfahren werden direkteinspritzende Brennverfahren sowohl für die ottomotorische als auch für die dieselmotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen in Verbindung mit variablen Einspritzverläufen. Die zeitgerechte Umsetzung erfordert den gebündelten Einsatz aller wissenschaftlich-technischen Ressourcen unserer Gesellschaft, um die auftretenden Detailprobleme der Einzelprozesse - Einspritzung, Zerstäubung, Verdampfung, Gemischbildung, Zündung und Verbrennung - kompetent und zielorientiert angehen zu können. Sowohl experimentell-meßtechnisch als auch theoretisch-modellbildende Kapazität ist gefordert. Die zur gemeinsamen Lösung notwendigen, höchst unterschiedlichen Kompetenzen erzwingt eine Zusammenarbeit der Automobilindustrie und deren Zulieferer mit einschlägigen Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen, die nach einem guten Start zukünftig noch vertieft werden muß. Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw. simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung und Emissionsmeßtechnik, werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 347 Seiten mit 253 Abbildungen wird in 21 Beiträgen von Vertretern der Motor-Industrie (BMW AG, Daimler-Benz AG, Dornier GmbH, MAN Nutzfahrzeuge AG, Mercedes-Benz AG, MTU Friedrichshafen GmbH), von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen (Bosch GmbH, AVL List GmbH, ESYTEC GmbH, FEV Motorentechnik GmbH, IAV GmbH, Siemens AG) und von einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (Bruker-Franzen Analytik GmbH, FhG für Lasertechnik, VDI-TZ Physik. Technologien, RWTH Aachen, U Erlangen-Nürnberg, U Heidelberg, TH Karlsruhe, U Rostock) neueste Entwicklungen vorgestellt. Zusätzlich liegt (nichtgebunden) bei die Langfassung eines Beitrages zur Rußmodellierung und die schriftliche Form eines Vortrages zum Stand der Technik des DI-Ottomotors mit den Highlights einer gleichnamigen Veranstaltung der Vorwoche. Erlangen 1997

10 Schriftenreihe Heft 97.3 Dipl.-Ing. Andreas Fath Charakterisierung des Strahlaufbruch-Prozesses bei der instationären Druckzerstäubung Dieser Bericht beinhaltet die Untersuchung der dieselmotorischen Hochdruckeinspritzung mit dem Ziel, den Strahlzerfall in seinen physikalischen Phänomenen besser erfassen und damit einen gezielten Einfluß auf den Zerstäubungsprozeß nehmen zu können. Die Vielzahl und Komplexität der am Zerstäubungsprozeß beteiligten Prozesse sowie die hohe Tropfendichte und die kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen stellen an die Meßtechnik extrem hohe Anforderungen. Die zur Untersuchung der Strahlausbreitung bereits häufig eingesetzte zweidimensionale Mie-Streulichttechnik wurde entsprechend diesen Anforderungen modifiziert. Mit der entwickelten Meßsonde ist es erstmals möglich, Strukturen im Inneren des Spraystrahles im Düsennahbereich lokal aufgelöst zu untersuchen. Die Grundlagen des Strahlzerfalls werden in Form einer Vorstellung und Diskussion der unterschiedlichen Strahlzerfallsmodelle erarbeitet. Zur Beurteilung der Modelle werden Untersuchungen an einer optisch zugänglichen, beheizbaren Hochdruckkammer durchgeführt. Eine Charakterisierung des Strahlzerfalls wird anhand zahlreicher Meßgrößen vorgenommen und gleichzeitig das Grundlagenwissen zum Strahlzerfall durch Untersuchungen im Düsennahbereich erweitert. Eine umfassende Parametervariation hinsichtlich des Einflusses von Einspritzdruck, Düsengeometrie, Gasdruck und -temperatur auf den Strahlzerfall über einen weiten Reynoldszahl-Bereich rundet die Untersuchungen ab. Basierend auf den Meßergebnissen wird eine Charakterisierung des Zerstäubungsprozesses vorgenommen und sowohl der Ort des Strahlzerfalls als auch der jeweils vorherrschende Aufbruchsmechanismus ermittelt. Der beobachtete Strahlzerfall wird mit den in der Literatur beschriebenen Zerfallsmodellen verglichen und darauf aufbauend ein neues Modell vorgeschlagen. Schriftenreihe Heft 97.4 Dipl.-Ing. Albert Thumann Temperaturbestimmung mittels der Kohärenten-Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) unter Berücksichtigung des Druckeinflusses und nichteinheitlicher Temperaturverhältnisse im Meßvolumen In dem Bericht werden verschiedene Aufbauformen der CARS-Spektroskopie bezüglich ihrer Einsatzmöglichkeiten zur Temperaturbestimmung miteinander verglichen. Für die alleinige Bestimmung der Temperatur kamen das Vibrations-CARS-Verfahren in der punktuellen und der eindimensionalen Phasenanpassungsgeometrie und das reine Rotations-CARS-Verfahren in den Aufbauvarianten RDBC-1 und RDBC-2 zum Einsatz. Simulatan zur Temperatur wurde bei der Rotations-CARS-Technik die Genauigkeit der relativen Sauerstoff-Stickstoff-Konzentrationsbestimmung überprüft. Die Arbeit beinhaltet vergleichende Untersuchungen im Temperaturbereich zwischen 300 K und 2050 K bei Atmosphärendruck und zwischen 300 K und 700 K im Druckbereich bis 200 bar. Verschiedene semi-empirische Modelle zur Beschreibung der Änderung der Linienbreiten bei hohen Moleküldichten werden miteinander verglichen. Der Einfluß von überlagerten Signalanteilen wurde bei der Vibrations-CARS-Technik beschrieben und bei der Auswertung berücksichtigt und die Nutzbarkeit einer eindimensionalen Phasenanpassungsgeometrie zur quantitativen Temperaturbestimmung für die Vibrations-CARS-Technik demonstriert. In zwei verschiedenen Aufbauvarianten wurde die Dual-Broadband-Rotations-CARS-Technik zur simultanen Temperatur- und Konzentrationsbestimmung eingesetzt, wobei mit der RDBC-2-Aufbauform eine deutliche Erweiterung des Dynamikbereichs des Meßverfahrens möglich war.

11 BERICHTE ZUR BEV ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK Herausgeber: Prof.Dr.-Ing. Alfred Leipertz Schriftenreihe Heft 98.1 Grundlagen und Apparate der Wärmeübertragung Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V. München, 20./21. Oktober 1998 Die Übertragung und Bereitstellung großer Wärmemengen bzw. deren Abfuhr ist mit teils gezielt hohen Wärmeübergangskoeffizienten in vielen technischen Anwendungen oftmals die Voraussetzung für die Realisierung eines geplanten Prozesses, was in einer entsprechend konzipierten Apparatur seinen Ausdruck finden muß. Dies fachgerecht durchzuführen, setzt die fundierte Kenntnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten, ihrer anwendungsbezogenen Formelzusammenhänge und Berechnungsgleichungen, der Minimierung von Investitions- und Verbrauchskosten (exergetisch günstige Prozeßführung), der Ablagerungsbildung und von Erfahrungen mit erfolgreich umgesetzten Apparateausführungen voraus. In diesem Band werden Grundlagen der Wärmeübertragung hinsichtlich der Nutzung von numerischen Verfahren und der Wärmeübertragung mit Phasenwechsel (Verdampfung und Kondensation) behandelt und des weiteren dann ausführlich auf den Apparat eingegangen, also der Wärmeüberträger grundlegend und in praktischer Ausführung behandelt. Dazu werden speziell industrielle Ausführungsbeispiele aus unterschiedlichen technischen Anwendungen mit Schwerpunkten in der Chemie- und Verfahrenstechnik von Referenten aus der einschlägigen Industrie vorgestellt und spezielle Probleme, z.b. in Form des Foulings, ausführlich bearbeitet. Erlangen 1998

12 BERICHTE ZUR BEV ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz Schriftenreihe Heft 99.1 Motorische Verbrennung - aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze (IV. Tagung) Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V. Essen, 16./17. März 1999 Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen rechtzeitig zu realisieren. Die direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl für die dieselmotorische als auch für die ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen und werden mit besonderem Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung für den Pkw- und Nfz-Bereich behandelt. Als Alternativen zum Diesel- und Ottomotor werden der Gasmotor und neue Antriebskonzepte betrachtet und den konventionellen Antrieben gegenübergestellt. Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw. simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zum Kraftstoffeinfluß und zur Abgasreinigung und Emissionsmeßtechnik werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Hausder-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie, Behörden und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 608 Seiten mit 415 Abbildungen wird in 43 Beiträgen von Vertretern der Motor- Industrie (BMW AG, DaimlerChrysler AG, MAN Nutzfahrzeuge AG, Volkswagen AG), von Zulieferund Meßtechnikunternehmen (AVL List GmbH, Bosch GmbH, ESYTEC GmbH, LaVision GmbH, Siemens AG), der Mineralölindustrie (Veba Oel, Neste Oy), von Behörden (Umweltbundesamt) und von einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen (DLR Stuttgart, Institut Motorenbau Prof. Huber GmbH, Inst. Physik. Hochtechnologie e.v., Jena, RWTH Aachen, U Bielefeld, U Erlangen-Nürnberg, FH Hamburg, U Hannover, U Heidelberg, TH Karlsruhe, FH München, U Rostock, U Stuttgart) neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Erlangen 1999

13 Schriftenreihe Heft 99.2 Dipl.-Phys. Friedrich Rabenstein Nutzung der spontanen Raman-Streuung zur Untersuchung technischer Verbrennungsprozesse SAE 1998 Arch. T. Colwell Merit Award (für Teile der Arbeit) In dem Bericht wird die Entwicklung eines laserspektroskopischen Meßverfahrens, basierend auf der linearen Raman- Streuung vorgestellt. Aufgrund außerordentlich geringer Streuquerschnitte und daraus resultierender niedriger Signalintensitäten beim Raman-Streuprozeß ist das Verfahren besonders anfällig gegenüber Störsignalen, wie sie z.b. in Einspritzprozessen auftreten können. In der Arbeit wird eine Reihe von Maßnahmen vorgestellt, mit dem diese Störeinflüsse überwunden werden können und quantitative Untersuchungen in bisher unzugänglichen Meßobjekten, wie rußenden Flammen und Hochdruck-Einspritzprozessen möglich werden. Wesentliche Störquellen in technischen Verbrennungsprozessen sind das Flammeneigenleuchten, die laserinduzierte Inkandeszenz (LII), elastische Streuung, laserinduzierte Gasplasmen und vor allem die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF). Eine Verringerung der Störsignalintensitäten relativ zum Raman-Signal bzw. eine Abtrennung vom Meßsignal kann durch gezieltes Ausnutzen von Unterschieden im Erscheinungsbild der verschiedenen zugrundeliegenden physikalischen Prozesse erreicht werden. Einen wesentlichen Einfluß auf das erzielbare Signal/Untergrundverhältnis hat hierbei die Wahl der Anregungswellenlänge, da die Raman-Streuung und die laserinduzierten Hintergrundsignale eine deutlich unterschiedliche Anregungs- und Emissionscharakteristik aufweisen. Für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Prozesse hat sich ein frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser als optimale Wahl erwiesen. Ein auf dieser Basis realisiertes Meßsystem konnte erfolgreich zur quantitativen Konzentrations- und Temperaturbestimmung im Verbrennungsfeld einer laminaren, teilvorgemischten CH 4 /Luft-Flamme eingesetzt werden, erstmals auch in Bereichen in der Nähe der Reaktionszone, die eine deutliche Rußentwicklung zeigen. Eine weitere Abtrennung der Raman-Signale von Störeinflüssen kann durch eine polarisationsaufgelöste Detektion erreicht werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß Raman-Signale in der Regel stark polarisiert sind, während die meisten Hintergrundsignale vollständig unpolarisiert auftreten. Als erstes Anwendungsbeispiel ist der Einsatz eines Raman-Meßsystems zur quantitativen Bestimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Spraybereich eines verdampfenden Dieselstrahls dargestellt. Die Ergebnisse zeigen eindimensional ortsaufgelöst den zeitlichen Verlauf des lokalen Lambdawerts während des Einspritzprozesses. Quantitativ kann der Einfluß von Parametern, wie der Düsengeometrie, des Kraftstoffs und des Einspritzdrucks ermittelt werden. Zusätzlich lassen sich über die simultane Registrierung der Häufigkeit des Auftretens von laserinduzierten Gasplasmen, Formaldehyd- und PAH-LIF, sowie von Reaktionsprodukten weitere Aussagen über den Reaktionsverlauf unter verschiedenen Randbedingungen treffen. Durch die eindimensionale Ortsauflösung besteht weiterhin die Möglichkeit, das Auftreten von lokalen Gradienten des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Meßvolumen zu registrieren. Schriftenreihe Heft 99.3 Dipl.-Ing. Hanno Krämer Untersuchung motorischer Gemischaufbereitungs- und Verbrennungsvorgänge mit zweidimensionaler laserinduzierter Exciplexfluoreszenz (LIEF) In der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Exciplex-Tracersysteme zur phasengetrennten Untersuchung ottound dieselmotorischer Aufgabenstellungen entwickelt und angewendet. Hierbei wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Systeme so gewählt, daß eines den mittleren Siedebereich von Ottokraftstoff und das andere den unteren Siedebereich von Dieselkraftstoff widerspiegelt. Somit repräsentieren beide Tracersysteme sehr gut das Verhalten ihrer jeweiligen Ersatzkraftstoffe (iso-oktan und n-dekan bzw. n-dodekan). Damit entstanden verbesserte meßtechnische Vorgehensweisen, die in Zukunft als Werkzeuge zur Weiterentwicklung sowohl extern als auch intern gemischbildender Antriebsaggregate genutzt werden können. In der Entwicklungsphase der Tracersysteme wurde, basierend auf spektralen Voruntersuchungen, das Anregungs- und Detektionsschema für die späteren zweidimensionalen Untersuchungen festgelegt. Anschließend wurde die Dampfphase der Systeme mit den gewählten Parametern charakterisiert, so daß die direkte Nutzung der Ergebnisse in der Anwendung möglich war. In der Anwendungspraxis wurden zwei verschiedene Untersuchungstypen eingesetzt: Die Untersuchungen in einer Hochdruck-Hochtemperatur-Einspritzkammer, d.h. in einem System ohne den Einfluß äußerer Strömung und Turbulenz, konzentrierten sich auf die Erfassung der Sprayausbreitung und verdampfung von direkteinspritzenden Gemischbildungssystemen unter möglichst einfachen und eindeutigen Umgebungsbedingungen. Umgekehrt wurden im Motor möglichst viele Teilschritte der motorischen Wirkkette von der Einspritzung bis in die Verbrennung hinein mit einem einzigen Meßsystem beobachtet, wodurch Wechselwirkungsmechanismen zwischen den verschiedenen Phasen des Motorprozesses erkannt werden konnten.

14 Schriftenreihe Heft 99.4 Dipl.-Ing. Erik Schünemann Experimentelle Untersuchungen zur Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Brennraumwand bei der dieselmotorischen Einspritzung In dieser Arbeit werden die Interaktion zwischen Einspritzstrahl und Brennraumwand bei der Kraftstoffeinspritzung unter den Randbedingungen kleinvolumiger DI-Dieselmotoren experimentell charakterisiert und die Auswirkungen von Gemischbildungsparametern auf die Strahl-Wand-Interaktion betrachtet. Die Untersuchungsumfänge gliedern sich auf in motorische Untersuchungen an Real- und Transparentmotor sowie in Grundlagenuntersuchungen zur Strahl-Wand-Interaktion ohne Einfluß der Ladungsbewegung in einer optisch zugänglichen Hochdruck-Hochtemperatur-Einspritzkammer. An allen Versuchsträgern wird ein PKW- Common-Rail-Einspritzsystem mit Mehrlochdüse eingesetzt und Realkraftstoff verwendet. Nach einer Darstellung der Gemischbildungsrandbedingungen aktueller kleinvolumiger DI-Dieselmotoren und des Kenntnisstandes zur Strahl-Wand-Interaktion werden die verwendeten Versuchsträger und das genutzte Einspritzsystem vorgestellt sowie die Anpassung der eingesetzten Lasermeßtechniken (Mie-Streulichttechnik, Phasen-Doppler-Anemometrie, laserinduzierte Fluoreszenz) für Messungen unter dieselmotorischen Randbedingungen beschrieben. In den motorischen Untersuchungen werden die Auswirkungen von Einspritzparametern und Muldengeometrie auf wandnahe Strahlausbreitung und resultierende Schadstoffemissionen betrachtet. Schwerpunkt der Einspritzkammermessungen ist die hochaufgelöste Visualisierung und Quantifizierung der Spraydynamik in Wandnähe. Weiterhin wird die Wandfilmausbreitung visualisiert. Aus den Meßergebnissen resultiert eine abgesicherte Modellvorstellung zur Strahl-Wand- Interaktion bei DI-Dieselmotoren mit kleinem Zylinderhubvolumen. Schriftenreihe Heft 99.5 Dipl.-Ing. Michael Wensing Charakterisierung von Benzineinspritzprozessen mittels zweidimensionaler Mie-Streuung Der Bericht beschreibt Grundlagen, Meßsysteme und Anwendungen zweidimensionaler Lasermeßtechniken auf Basis der Mie-Streuung zur Untersuchung von Benzineinspritzprozessen. Beginnend mit einem Überblick der im Bereich der ottomotorischen Einspritzung auftretenden Zerstäubungsmechanismen und Sprayeigenschaften werden Methoden zur Messung und Auswertung dieser Eigenschaften von den Grundlagen der Mie-Streuung her eingeführt. Schwerpunkte in der durch kombinativen Einsatz mehrerer Methoden umfassenden Spraybeschreibung bilden die Erfassung und Quantifizierung der instationären räumlichen Sprayausbreitung, die Messung der Spraystruktur sowie eine neue Methode zur mehrdimensionalen, d.h. simultan zweidimensionalen Messung von Tropfengrößen. Die vorgestellten Meßmethoden und systeme orientieren sich an den heute in der Saugkanaleinspritzung und der Benzindirekteinspritzung vorliegenden Sprayeigenschaften und werden konkret an Meßaufgaben aus diesen Bereichen behandelt. Geschilderte Meßbeispiele umfassen die Charakterisierung von Injektoren aus der Saugkanal- und Direkteinspritzung in ruhender Umgebung, Applikationen zur Erfassung der Sprayausbreitung innerhalb des Ansaugkanals von Serienmotoren mit minimalen optischen Zugängen sowie die Messung der Sprayausbreitung bzw. Kraftstoffverteilung im Brennraum transparenter Motoren. Bei allen beschriebenen Methoden wurde Wert auf eine weitgehend automatisierte Durchführung und Auswertung der Messungen gelegt, die für den Einsatz der beschriebenen Meßtechniken im Bereich der Motor- und Einspritzsystementwicklung unumgänglich ist. Weiterhin wurde auf eine Ähnlichkeit der verwendeten Aufbaukonfiguration geachtet, so daß eine Vielzahl von Meßaufgaben mit einem minimalen Equipment oder sogar simultan bearbeitet werden kann.

15 Schriftenreihe Heft 20.1 Prof. Dr.-Ing. Hans Müller-Steinhagen Modellierung der Ablagerungsbildung in Wärmeübertragern Die Ausbildung von Ablagerungen an wärmeübertragenden Flächen führt zu einem zusätzlichen Wärmeübergangswiderstand (Foulingwiderstand), der durchaus in der Größenordnung der Wärmeübergangswiderstände der reinen Fluide und der Rohrwand liegen kann. Außerdem führt dies aufgrund der Verengung des Querschnittes und der Zunahme der Rauhigkeit zu einer beträchtlichen Erhöhung des Strömungsdruckverlustes. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die modellgestützte Optimierung der Apparatekonstruktion und des Anlagenbetriebes mit dem Ziel, die Bildung von Ablagerungen in Wärmeübertragern zu vermeiden oder zumindest zu vermindern. Dies ist jedoch nur möglich, wenn Modelle für die lokale Ablagerungsbildung mit Modellen für den gesamten Apparat oder für die gesamte Anlage kombiniert werden. Zur Formulierung dieser Modelle wird ein gewisses Verständnis der vorliegenden Ablagerungsmechanismen benötigt, das häufig nur durch systematische Labor- oder Betriebsmessungen erreicht werden kann. Eine exakte Formulierung der Gleichgewichts- und Transportansätze, die die Bildung von Ablagerungen beschreiben, ist nur in den seltensten Fällen möglich. In dieser Arbeit wird jedoch gezeigt, wie selbst mit näherungsweisen Ansätzen oder mit stark vereinfachten Annahmen noch wertvolle Ergebnisse erzielt werden können. Dabei wird eine systematische Vorgehensweise bei den Untersuchungen postuliert, die im Idealfall zu einer weitgehenden wissenschaftlichen und technischen Durchdringung des vorliegenden Ablagerungsproblemes führt. Diese Vorgehensweise wird anhand von zahlreichen theoretischen und praktischen Untersuchungen erläutert. Die vorliegende Arbeit wurde von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als Habilitationsschrift für das Fachgebiet Technische Thermodynamik angenommen. Schriftenreihe Heft 20.2 Dipl.-Ing. Martin Schenk Simultane Temperatur- und Konzentrationsmessung in binären und ternären Gemischen mittels Rotations-CARS-Spektroskopie Diese Arbeit ist der Weiterentwicklung der Rotations-CARS Spektroskopie zur simultanen und zeitaufgelösten Temperatur- und Konzentrationsbestimmung gewidmet. Nach einer Einführung in die theoretischen und molekülspektroskopischen Grundlagen befaßt sich die Arbeit zuerst mit einem Vergleich sowie der Optimierung verschiedenster Auswertealgorithmen auf Basis des O 2 /N 2 -Systems bei 1 bar. Vergleichsaspekte waren Einzelschußgenauigkeit, Nachweisgrenze, Störunempfindlichkeit, Geschwindigkeit, u. a.. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde der Untersuchungsbereich auf O 2 /N 2 -Drucksysteme (1-50 bar, K) ausgeweitet. Schwerpunkt war neben der Einzelschußgenauigkeit besonders die Abschätzung der Nachweisgrenze für O 2 im Gemisch mit N 2 in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Konzentration. Um diese Nachweisgrenze zu verbessern, wurde die Option untersucht, über eine gezielte Verschiebung der Ausleselaserfrequenz in den UV-Bereich (266 nm) den CARS-Streuquerschnitt von O 2 relativ zu N 2 zu erhöhen. Aufgrund der großen Bedeutung des CO 2 -Moleküls als Verbrennungsprodukt wurden die Untersuchungen erstmalig auf CO 2 -Reingas, sowie N 2 /CO 2 - und O 2 -/CO 2 /N 2 -Gemische ausgedehnt, und die Einsatzfähigkeit von Rotations-CARS zur simultanen Temperatur- und O 2 /N 2 -, sowie CO 2 /N 2 -Konzentrationsbestimmung erfolgreich demonstriert. Dabei wurden auch die programmtechnischen Grundlagen für die Einbeziehung des Brennstoffes Acetylen gelegt. Die Zulässigkeit der für CO 2 verwendeten, vereinfachenden Modelle wurde erfolgreich überprüft und ein einheitliches Bild der Abhängigkeiten der erzielbaren Genauigkeiten und Nachweisgrenzen von Druck, Temperatur und Konzentration gegeben. Signifikantestes Ergebnis war dabei die enorme Zunahme der CO 2 -Konzentrationsempfindlichkeit mit steigendem Druck. Die technische Anwendbarkeit wurde am Abgaskrümmer eines Otto-Serienmotors und einer turbulenten Vormischflamme demonstriert. Vorgestellt sind ferner die Erweiterung des Detektionssystems zur kombinierten Erfassung von Vibrations-und Rotations-CARS, welche die simultane Detektion von CO, N 2, O 2, CO 2, H 2, der Vibrationstemperatur T Vib und der Rotationstemperatur T Rot ermöglicht, sowie ein Vorschlag für ein Mehrfarbendetektionsschema (Triple- Pump-CARS), welches die simultane Aufzeichnung dreier unabhängiger Raman-Verschiebungsbereiche erlaubt und eine vergleichbar gute interne Referenzbildung bietet wie Rotations-CARS oder Dual-Pump- CARS.

16 BERICHTE ZUR BEV ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz Schriftenreihe Heft Motorische Verbrennung - aktuelle Probleme und moderne Lösungsansätze (V. Tagung) Tagung im HAUS DER TECHNIK e. V. Essen, 13./14. März 2001 Um die gesetzlichen Vorgaben zukünftiger Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, sind die Automobilhersteller und die betroffene Zulieferindustrie nach wie vor in besonderer Weise gefordert, die damit verbundenen Verbrauchswerte und Schadstoff- bzw. Partikelemissionen zu realisieren. Die direkteinspritzenden Brennverfahren werden sowohl für die dieselmotorische als auch für die ottomotorische Verbrennung als aussichtsreich angesehen und werden mit besonderem Schwerpunkt in den Strategien der Hochdruckdieseleinspritzung für den Pkw- und Nfz-Bereich, so auch der Wirkung einer Einspritzverlaufsformung, bzw. de Benzineinspritzung behandelt, wobei letztere hinsichtlich des Brennverfahrens (luft-, strahl- oder wandgeführt) und attraktiver Alternativen, z.b. dem variablen Ventiltrieb, noch in einem recht frühen Entwicklungsstadium steht. Als alternative Techniken werden der Dampfmotor als Zero Emission Engine und die Wasserstofftechnologie (Brennstoffzelle und H 2 -Motor) behandelt. Übergeordnetes Querschnittsthema stellen dabei die motorischen Partikel dar. Alle Aspekte der aufgezeigten Problematik, von den Einzelprozessen der Brennverfahrensentwicklung, ihrer meßtechnischen Erfassung und modellhaften bzw. simulationstechnischen Bearbeitung bis hin zur Abgasreinigung werden in diesem Berichtsband einer gleichnamigen Veranstaltung im Haus-der-Technik von kompetenten Vertretern aus Industrie und Forschungseinrichtungen behandelt. Auf 620 Seiten mit über 570 Abbildungen wird in 48 Beiträgen von Vertretern der Automobilindustrie (BMW AG, DaimlerChrysler AG, DEUTZ AG, Ford AG, MAN Nutzfahrzeuge AG und Volkswagen AG), sowie von Zuliefer- und Meßtechnikunternehmen (AVL List GmbH, Bosch GmbH, Cosworth Technology, ESYTEC GmbH, FEV GmbH, META GmbH, NGK Europe GmbH, Dr. Schrick GmbH und Siemens AG) und von einschlägigen privaten und öffentlichen Meßtechnik- und Forschungseinrichtungen neueste Entwicklungen vorgestellt und bewertet. Zu den letztgenannten Einrichtungen zählen CONCAWE Brüssel/Belgien, HTW Dresden, IAV Berlin, IMH München, Instituto Motori Neapel/Italien, Lund Inst. Technology/Schweden, Inst. Niedertemperatur-Plasmaphysik Greifswald, Inst. Umwelttechnologien GmbH Adlershof, RWTH Aachen, TU Braunschweig, U Erlangen, U Hannover, U Heidelberg, U Karlsruhe, U L Aquila/Italien, U College London/GB, TU München, U Stuttgart und U Wisconsin- Madison/USA). Erlangen 2001

17 Schriftenreihe Heft 1.2 Dipl.-Phys. Joachim Jonuscheit Simultane zeit- und ortsaufgelöste Bestimmung der Temperatur und des Brennstoff-Luft- Verhältnisses mittels der Kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) In dem vorliegenden Bericht wurden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Temperatur und des Brennstoff-Luft-Verhältnisses mittels kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) entwickelt und angewandt. Für die gleichzeitige Erfassung von Kohlenwasserstoffen, welche in vielen Fällen als Brennstoff dienen, und Sauerstoff als verbrennungstechnisch wichtigste Luftkomponente kamen die reine Rotations-CARS-, die reine Vibrations-CARS- sowie eine kombinierte Rotations- und Vibrations-CARS- Technik zum Einsatz. Neben den zweiatomigen Molekülen Sauerstoff und Stickstoff wurden Schwefeldioxid, Ethen und Methan als Vertreter mehratomiger Moleküle theoretisch und experimentell untersucht. In der Entwicklungsphase wurden die verschiedenen Methoden mittels Kalibriergasen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken untersucht. Reines Schwefeldioxid und Ethen wurden eingesetzt, um experimentell ermittelte Spektren mit theoretisch berechneten Spektren vergleichen zu können. Für Kalibriermessungen wurden Ethen-Luft- und Methan-Luft-Mischungen mit verbrennungsrelevanten Gaszusammensetzungen verwendet. Als Anwendungsobjekte wurden zwei unterschiedliche atmosphärische Brenner untersucht. In beiden Fällen wurden vorgemischte Brenngase zugeführt, welche auf Grund ihrer Zusammensetzung eine starke Rußbildung zur Folge haben. Während die Ethen-Luft-Flamme des Bunsen-Brenners sowohl Temperatur- und Konzentrationsgradienten in Strömungs- und radialer Richtung aufweist, zeigt die Methan-Luft-Flamme des McKenna-Brenners nur Gradienten in Strömungsrichtung. Schriftenreihe Heft 1.3 Dipl.-Ing. K.H. Choi Gezielte Einstellung und wärmetechnische Charakterisierung der Tropfenkondensation auf ionenimplantierten Oberflächen In dieser Arbeit wurde eine neue Methode für die langzeitige Erzielung von Tropfenkondensation auf metallischen Oberflächen vorgestellt. Auf Basis thermodynamischer Betrachtungen des Kondensationsvorgangs erlauben die theoretischen Resultate eine Voraussage über die unvollständige Benetzung mittels Ionenimplantation und der dafür notwendigen Mindestdosis [Anzahl der Ionen / Fläche]. Diese bezifferte Dosis ist so gering, daß man nicht von einer Beschichtung sprechen kann. Um die Richtigkeit der Voraussagen experimentell nachzuweisen, wurden zwei Anlagen konzipiert, darunter eine, in der gleichzeitig 20 Metallproben auf ihre unvollständige Benetzung und auf Langzeitstabilität überprüft wurden. Einige Proben wurden so nun seit über zwei Jahren auf ihre unvollständige Benetzbarkeit erfolgreich getestet. Um quantitative Aussagen über die erzielbaren Wärmeübergangskoeffizienten zu treffen, wurde eine weitere Anlage konzipiert, mit der über systematische Variationen der Einflußgrößen Dampfreinheit, Oberflächenrauhigkeit des Basismaterials, Höhe der Ionendosis, Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials, Dampfüberdruck und Unterkühlung eine bis zu 17-fache Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zur Filmkondensation entsprechend der Nußelt-Theorie erzielt werden konnte.

18 Schriftenreihe Heft 1.4 Dr. rer. nat. Friedrich Dinkelacker Struktur turbulenter Vormischflammen Eines der grundlegenden Themen der Verbrennungstechnik ist die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Reaktion in turbulenten Flammen. Gerade bei hohen Turbulenzintensitäten, wie sie in Motoren, Gasturbinen oder Industriefeuerungen auftreten, wurden seit 60 Jahren verschiedenste Modellansätze kontrovers diskutiert. Besonders für turbulente Vormischflammen waren Messungen lange Zeit nur sehr eingeschränkt und indirekt möglich, weil die Flammenfront hier dünner als ein Millimeter sein kann und sehr starke räumliche Fluktuationen im Turbulenzfeld aufweist. Wesentliche Fortschritte sind nun durch planare und dreidimensionale Lasermesstechniken möglich geworden, die berührungsfrei sind und eine hinreichend aufgelöste räumliche und zeitliche Erfassung der direkten Struktur turbulenter Flammen erlauben. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen verschiedener Arbeitsgruppen zur turbulenten Flammenstruktur auf eine vergleichbare Ebene gebracht und im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Modellansätzen diskutiert. Es zeigt sich, dass in früheren Modellen die Bedeutung der kleinskaligen Kolmogorov-Wirbel auf die Flammenstruktur deutlich überschätzt wurde. Als Begründung wird zum einen der stark temperaturabhängige Viskositätseinfluss auf die Dissipation der kleinsten Wirbel angeführt, zum anderen aber die starke Lokalisierung dieser kleinskaligen Turbulenzstrukturen. Dagegen zeigt sich ein deutlicher Streckungseinfluss durch lokale Strömungsgradienten auf die Flammenfrontstruktur. Dieser Streckungseinfluss führt entgegen den theoretisch erwarteten verdickten Flammenfronten brennstoffabhängig teilweise sogar zu dünneren Flammenfronten. Eine Neubewertung der physikalischen Modellvorstellungen führt zu einem modifizierten Bereichsdiagramm für turbulente Vormischflammen. Die vorliegende Arbeit wurde von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als Habilitationsschrift für das Fachgebiet Technische Thermodynamik angenommen. Schriftenreihe Heft 1.5 Dipl.-Ing. Armin Soika Laseroptische Untersuchungen zum Einfluss des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen Promotionspreis 2002 der Technischen Fakultät Universität Erlangen-Nürnberg Die Verbrennung fossiler Energieträger erfolgt meist in Hochdruckbrennkammern mit stark turbulenter Strömung. Vor allem die verbesserte Stabilität turbulenter Vormischflammen und die erhöhte chemische Reaktivität bei Drucksteigerung ermöglichen bei weiterer Prozessoptimierung die Einhaltung zukünftiger Emissionsauflagen. Wegen des erhöhten experimentellen Aufwandes sowie der Komplexizität der numerischen Beschreibung ist diese Art der Verbrennungsführung bislang jedoch nur wenig untersucht worden mit demzufolge fehlendem Verständnis des Reaktionsablaufes. Um den Einfluss des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen unter Einsatz planarer Lasermessmethoden quantitativ zu erfassen, wurde ein optisch zugänglicher Hochdruckbrennkammer-Prüfstand aufgebaut. Die Konstruktion der Versuchsanlage sowie die Grundlagen der angewandten Rayleigh-Streuung und laserinduzierten Fluoreszenz werden beschrieben. Neben der Diskussion globaler Flammenphänomene bei Drucksteigerung auf 10 bar stand die experimentelle Bestimmung der Flammenfrontkrümmung gasturbinentypischer Verbrennungsprozesse im Vordergrund. Um mögliche Mechanismen der verstärkten Flammenfrontauffaltung bewerten zu können, wurde das turbulente Strömungsfeld vermessen und die Reaktionskinetik der Methan/Luft-Verbrennung mit CHEMKIN simuliert. Es zeigt sich, dass die abnehmende Faltungslänge der Flammenfront eine ähnliche Druckentwicklung wie die Taylor-Wirbelskalen besitzt. Als ein Indiz für den zunehmenden Einfluss der Reaktionskinetik bei Hochdruckverbrennungsprozessen wird die gute Übereinstimmung der Krümmungscharakteristik mit der durch lineare Analyse abgeleiteten Flammeninstabilität in Trend und Stöchiometrieverhalten gewertet.

19 Schriftenreihe Heft 1.6 Dipl.-Phys. Stephan Schraml Innovationspreis Lasertechnologie 2001 Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik zur Rußdiagnostik dieselmotorischer Verbrennungsprozesse Im Mittelpunkt dieses Berichtes steht die Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik (LII) an motorischen Verbrennungssystemen in verschiedenen Ausführungsvarianten. Dabei wird das zum Einsatz kommende laseroptische Verfahren zunächst detailliert dargestellt und in Bezug auf die technische Applikation weiterentwickelt. Hierbei werden vielfältige Möglichkeiten aufgezeigt und Messstrategien entwickelt, die das gesamte Anwendungsspektrum von innermotorischen Grundlagenuntersuchungen bis hin zum standardisierten Einsatz als Abgasmesstechnik abdecken. Neben der Rußmassenkonzentration wird hierbei insbesondere auch die Primärteilchengröße, die die Oberflächenemission des Motors beschreibt, als zusätzliche Messgröße mit einbezogen. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnten vielfältige aktuelle Fragestellungen zur Dieselrußemission bearbeitet werden. Bei zweidimensional abbildenden Untersuchungen innerhalb des Brennraums eines Common-Rail-Dieselmotors konnten beispielsweise der Einfluss verschiedener Einspritzdüsengeometrien auf die Rußbildung sowie das zeitliche Verhalten der Rußmassenkonzentration untersucht werden. Mit dem für den Abgasbereich vorgestellten kompakten Sensor konnten weiterhin Einflüsse von Drehzahl, Last, Einspritzund Ladedruck, Kraftstoff und transienten Lastwechseln auf verschiedene Kenngrößen des Abgasrußes aufgedeckt werden. Schriftenreihe Heft 1.7 Dipl.-Ing. Thomas Hubner Simultane Bestimmung von Feststoffdichte, Korngröße und Partikelform mittels laseroptischer Sedimentationsverfahren In diesem Bericht werden neuartige Sedimentationsmesstechniken zur simultanen Bestimmung mehrerer Partikelmerkmale vorgestellt. Die Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße stellen zentrale Kenngrößen von heterogenen Partikelkollektiven, insbesondere des Umweltmediums Boden, dar. Sie ermöglichen wertvolle Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bodens, beispielsweise das Adsorptionsvermögen, die Kompaktierbarkeit, die Fähigkeit zur Feuchtigkeitsaufnahme, das Wasserrückhaltevermögen oder die hydraulische Leitfähigkeit. Bei der Bodenreinigung ist die Kenntnis der Verteilungen von Korngröße und Feststoffdichte bedeutsam, da einerseits der Schadstoffgehalt mit der Feststoffdichte und Korngröße korreliert und andererseits viele verfahrenstechnische Dekontaminationsprozesse, insbesondere Klassier- bzw. Sortierprozesse, auf unterschiedlichen Korngrößen und Feststoffdichten des Aufgabegutes beruhen. Die physikalischen Grundlagen von laserbasierten Sedimentationsverfahren zur simultanen Bestimmung der Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße werden in diesem Bericht expliziert dargestellt. Dabei werden mit der Kombination der beiden Korngrößenmesstechniken Photosedimentation und Laserbeugung sowie der Sedimentationsanalyse mittels digitaler Bildverarbeitung zwei alternative, auf unterschiedlichen Partikelmerkmalen beruhende Messverfahren vorgestellt, wobei letzteres zusätzlichen Informationsgewinn über die Partikelform ermöglicht. Die Berechnungsmodelle zur Ermittlung der Feststoffdichte unter Einbeziehung des Strömungszustandes sowie der Partikelform werden umfassend erläutert und anhand von Simulationsrechnungen verifiziert. Experimentell wurden die Untersuchungen in modularen und kompakten Instrumenten durchgeführt, wobei bis auf die Laserbeugung Eigenentwicklungen verwendet wurden. Der Aufbau und die Funktionsweise dieser Instrumente sowie der verwendeten optischen Messtechniken wird detailliert dargestellt. Resultate von experimentellen Untersuchungen an homogenen Materialien, darunter zertifizierte Referenzmaterialien, an heterogenen Partikelkollektiven sowie an verschiedenen Bodenarten werden dargestellt. Eine explizite Fehlerfortpflanzungsanalyse zeigt die Möglichkeiten und Limitationen dieser Messverfahren zum jetzigen Zeitpunkt auf.

20 Schriftenreihe Heft 2.1 Dipl.-Phys. Andreas Paul Fröba Simultane Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung transparenter Fluide mittels Oberflächenlichtstreuung Staedtler-Promotionspreis 2002 DKV-Nachwuchsförderpreis für herausragende wissenschaftliche Arbeiten 2003 Bereits seit Einführung des Lasers in den 60 er Jahren existiert der Wunsch, neben dem vorhandenen zahlreichen Ensemble konventioneller Messmethoden zur Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung die Methode der Oberflächenlichtstreuung (Surface Light Scattering, SLS) zu etablieren. Zwar zeigen frühe Arbeiten der klassischen Hydrodynamik und der frequenzauflösenden Spektroskopie auf, dass die Viskosität und, bei bekannter Dichte, simultan die Oberflächenspannung aus der spektralen Verteilung des an der Grenzfläche zwischen zwei Phasen gestreuten Lichtes bestimmt werden kann, jedoch scheiterte bislang selbst für einfache fluide Ober- bzw. Grenzflächen die standardmäßige Anwendung der Methode aufgrund einer unzureichenden Genauigkeit. In dieser Arbeit wurde nun erstmals eine Verfahrensweise für die Methode der Oberflächenlichtstreuung entwickelt, mit der eine simultane Erfassung von Viskosität und Oberflächenspannung mit hoher Messgenauigkeit - in vielen Fällen besser als 1 % für beide Größen - ermöglicht wird. Im Vordergrund standen dabei Fragen möglicher Einflüsse einer Beschreibung der Arbeitsgleichungen in Näherung, einer optimierten Konzeption der laseroptischen Messanordnung und der Anwendbarkeit der Methode auf verschiedene Proben über einen weiten Zustands- und Viskositätsbereich (10 µpas 10 Pas). Hieraus wird deutlich, dass mit der Methode der Oberflächenlichtstreuung vergleichsweise einfach ein großer Messbereich realisiert werden kann, der den bisheriger Untersuchungen mit konventionellen Methoden übersteigt. Eine Erweiterung des Anwendungsspektrums ist möglich und überdeckt die gesamte Breite verschiedenster Fluide bis hin zu hochviskosen Schmelzen. Zusammenfassend stellt die Oberflächenlichtstreuung im Hinblick auf eine standardmäßige und genaue Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung ein nun erprobtes Messverfahren dar. Ein vielversprechender Einsatz der im Rahmen der Arbeit entwickelten innovativen Verfahrensweise ergibt sich beispielsweise in deren direkten Fortführung bzw. Übertragung bei der Realisierung von Geräten zur jeweils getrennten oder auch simultanen Bestimmung von Viskosität und Oberflächenspannung. Schriftenreihe Heft 2.2 Dipl.-Ing. Christian Fettes Untersuchungen zur Common-Rail-Einspritzung für PKW-Dieselmotoren mittels kombinativer Applikation optischer Messmethoden In dieser Arbeit werden Eigenschaften der Common-Rail-Einspritzung für PKW-Dieselmotoren mittels experimenteller Untersuchungen an einem Einzylinder-Transparentmotor unter Berücksichtigung der innermotorischen Wirkkette von Einspritzung, Verdampfung, Gemischbildung, Zündung und Verbrennung analysiert. Hierzu kommt eine geeignete Kombination von örtlich und zeitlich hochauflösenden optischen Messverfahren zum Einsatz. Nach einer Darstellung der aktuell im Motorenbau relevanten Einspritzverfahren und des mittels optischer Messverfahren definierten Kenntnisstandes zum Ablauf des dieselmotorischen Prozesses werden geeignete Verfahren miteinander kombiniert, um die teilweise gleichzeitig ablaufenden innermotorischen Phänomene simultan visualisieren zu können. Versuchsträger, Messverfahren und eingesetzte Einspritzhardware werden detailliert charakterisiert. Anhand von verschiedenen Parametervariationen, die sich auf Untersuchungen zur Düsen-Spritzlochgeometrie, zum Raildruck- und Verdichtungsenddruck-Einfluss sowie zum Einsatz einer Voreinspritzung beziehen, wird ein Modell für den optimierten Ablauf des innermotorischen Prozesses für PKW-Dieselmotoren abgeleitet.