Quantitative Visualisierung der Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoffbildung eines Dieselsprays in einer Hochtemperatur-Hochdruck-Zelle durch multiple mehrdimensionale Laserdiagnostik

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoffbildung eines Dieselsprays experimentell an einer weltweit neuartigen Hochdruck- und Hochtemperatur-Zelle unter motortypischen Bedingungen untersucht. Dabei wurden eine Vielzahl laserdiagnostischer Techniken an den Versuchsträger adaptiert, die eine berührungsfreie, örtlich und zeitlich aufgelöste und quantitative Messung von Treibstoffdampfverteilung und Rußkonzentration sowie eine qualitative Messung der Rußpartikelgröße, NO-, und Formaldehyd-Konzentration (HCHO) und der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) in gezündeten und ungezündeten Dieselsprays ermöglichten. Bei diesen laseroptischen Verfahren handelte es sich um planare Rayleigh-Spektroskopie (Rayleigh-Lichtstreuung), planare laserinduzierte Inkandeszenz (LII) und planare laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) an NO, PAH und HCHO. Erstmals wurde zudem 5-Nonanon als fluoreszierender Treibstoffmarker zur Beobachtung der Kraftstoffverteilung eingesetzt. Gleichfalls zum ersten mal wurden Rußvolumenbruch, Treibstoffdampfdichte via Rayleigh-Lichtstreuung, relative NO-Konzentration und die Rußpartikelgröße D63 simultan gemessen. Die gleichzeitige Abbildung der beiden antagonistischen Spezies NO und Ruß ist dabei von großem Interes-se für die technische Anwendung. Ebenso wurden die Konzentrationen an HCHO, PAH und Treibstoff (via Tracer-LIF an 5-Nonanon) simultan abgebildet. HCHO gilt als guter Indikator für das Vorliegen des sogenannten kalten Verbrennungsprozesses. PAHs sind bekannt als Grundbausteine und Vorläufer von Rußpartikeln. Alle Messungen wurden an mehreren Messpositionen zeitaufgelöst unter systematischer Variation verschiedener experimenteller Parameter durchgeführt, wie Umgebungsdruck, Temperatur, Injektionsdruck, zeitliche Injektionssteuerung, Typ der Einspritzdüse und Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungskammer. Anhand spektral aufgelöster Voruntersuchungen des gezündeten und ungezündeten Dieselsprays wurden Anregungs- und Detektionsschemata dieser laserdiagnostischen Experimente überprüft, vom Detektionszeitpunkt abhängige Untergrundsignale aufgeklärt und die Fluoreszenzeigenschaften des neuen Kraftstoffmarkers 5-Nonanon unter motorischen Bedingungen charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit gelang ein umfangreicher Einblick in die Natur dieselmotorischer Verbrennungsprozesse. Die experimentellen Befunde wurden zur Überprüfung gängiger, konzeptioneller Verbrennungsmodelle herangezogen und erwiesen sich als wichtige Grundlage zur Entwicklung und Validierung zukünftiger numerischer Simulationsverfahren