Teilprojekt A01 Stephan

Teilprojekt A01 Stephan

Experimentelle Untersuchung der Filmverdampfung von Mehrkomponentensystemen mit Neigung zur Bildung von Ablagerungen

Hintergrund

Otto- und dieselmotorische Kraftstoffe sind komplexe Mehrkomponentenfluide. Sie neigen unter bestimmten Prozessbedingungen zur Filmbildung an Wänden und Verklebung bzw. zur Bildung von Ablagerungen. Bei einigen Verdampfungsprozessen in der Verfahrenstechnik oder z.B. bei der Harnstoffeinspritzung in Abgaskanälen sind prinzipiell ähnliche Phänomene zu beobachten: Bei partieller Benetzung der heißen Wand durch Flüssigkeit kann es zu lokaler Überhitzung und Anhaftungen kommen, wodurch der Prozess negativ beeinflusst wird. Bei der innermotorischen Verbrennung kann eine Ablagerung (Verkokung) die Motoreffizienz deutlich verringern und die Emissionen deutlich vergrößern. Beispielhaft sei die Filmbildung und ablagerung von Ottokraftstoff an Einspritzdüsen genannt, die sowohl zu Veränderung der Geometrie der Düsenbohrungen an der Austrittskante und somit zur einer veränderten Spraycharakteristik als auch zu unkontrolliertem Abbrand mit damit einhergehenden unkontrollierten Emissionen führen kann.

Das Verständnis und die Optimierung der genannten Prozesse erfordert ein grundlegendes Verständnis der Filmströmungsregime an der Wand, der Benetzungseigenschaften Fluid-Wandmaterial und des lokalen mehr-phasigen Wärme- und Stofftransports. Zur Verklebung/Verkokung des zunächst flüssigen und niedrigviskosen Kraftstoffs kommt es durch bevorzugte Verdampfung der leichtflüchtigen Komponenten in die Gasphase und Vernetzung sowie Reaktion der verbleibenden, schwerflüchtigen Komponenten. Mit Beginn der Ablagerung schwerflüchtiger Komponenten spielen zusätzlich die Materialeigenschaften der porösen, anhaftenden Ablagerung und die Kapillarkräfte in den Poren eine Rolle.

Systematische experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Fluide, der Wandmaterialien (incl. Beschichtungen und Mikrotopographien) und der Prozessparameter (Druck, Temperatur, Verweilzeit, Strömungsgeschwindigkeiten, Gasatmosphäre, …), die ein grundlegendes Verständnis begründen und eine Validierung von theoretisch-numerischen Modellen zulassen, fehlen bis heute weitgehend. Solche systematische und hoch auflösende generische Versuche sind Gegenstand des Teilprojektes. In der ersten Förderperiode wird sich das Teilprojekt dabei an innermotorischen Prozessbedingungen orientieren. Eine Erweiterung auf Bedingungen im Abgasstrang erfolgt ab der zweiten Förderperiode.

Versuchsaufbau

Die Untersuchungen werden in einem mit Luft durchströmten rechteckigen Versuchskanal (50x30mm) durchgeführt, wobei die Strömungsbereitstellung mit Kompressoren oder einer Vakuumpumpe erfolgt. Der Luftstrom wird elektrisch vorgewärmt und anschließend in zwei Teilluftströme aufgeteilt. Mithilfe eines Bypass-Kanals und mit Stellventilen ist es möglich einen definierten Luftvolumenstrom im Versuchskanal einzustellen. In einem Vor- und in einem Hauptfilter werden die verdampften Versuchsfluide abgeschieden. Weiterhin besteht die Möglichkeit den Abluftstrang mit einem wassergekühlten Nachkühler mit Zyklonabscheider nachzurüsten.

Die Versuchszelle ist modular aufgebaut und befindet sich in der hinteren Hälfte des Versuchskanals. Das Heizerkonzept beinhaltet einen elektrischen Widerstandsheizer in Form eines Folienheizers. Dieser ermöglicht die Messung des Wandtemperaturprofils mittels Highspeed-IR-Thermografie auf der Unterseite der Folie und den günstigen Heizerwechsel (Folienaustausch) nach jeder Versuchsdurchführung. Das vortemperierte Versuchsfluid strömt über einen Filmleger auf die Folie. Um die Filmdynamik zu untersuchen wird ein chromatisch konfokaler Weisslichtsensor verwendet, welcher oberhalb der Zelle hinter einem Schauglas angebracht wird. Zur Prozessüberwachung sind weiterhin Thermoelemente an verschiedenen Positionen, optische Zugänge sowie eine Differenzdruckmessung vorgesehen.

Abbildung 1: Strömungskanal mit Stellventilen und Bypass zur Einstellung des Luftvolumenstroms im Versuchskanal (CAD-Zeichnung)
Abbildung 1: Strömungskanal mit Stellventilen und Bypass zur Einstellung des Luftvolumenstroms im Versuchskanal (CAD-Zeichnung)
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Folienheizers
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Folienheizers