Stoßwellenforschung

Wie Dieselmotoren noch effizienter werden können

18.03.2009 | Redakteur: Thomas Kuther

Jin Wang: „Mit hochintensiven Röntgenstrahlen können wir ins Innere des normalerweise undurchsichtigen Hochdruckstrahl sehen.“

Neueste Erkenntnisse in der Stoßwellenforschung zeigen, wie moderne Dieselmotoren noch effizienter werden können. Hintergrund der Untersuchungen sind die Wechselwirkung zwischen Stoßwellen, die von überschallschnellen Hochdruckstrahlen der Diesel-Einspritzsysteme erzeugt werden.

Wissenschaftler der US-Energiebehörde am Argonne National Laboratory haben in Zusammenarbeit mit der Staatsuniversität Wayne und der Cornell University erforscht, wie sich von überschallschnellen Einspritzstrahlen ausgelöste Stoßwellen gegenseitig beeinflussen. Bislang wurden Stoßwellen erforscht, die durch feste Schläge oder von speziellen Stoßgeneratoren erzeugt wurden. Von mikrometerkleinen Düsen wie in Diesel-Einspritzanlagen erzeugte flüssige Hochdruckstrahlen können jedoch ebenfalls Überschallgeschwindigkeiten erreichen.

Röntenstrahlen durchdringen den Hochdruckstrahl

„Stoßwellen treten in der Natur auf und werden schon lange beobachtet, aber es war bislang schwierig, die interne Struktur der von Hochdruck-Kraftstoffstrahlen hervorgerufenen Stoßwellen zu erforschen“; erklärt Argonne-Wissenschaftler Jin Wang. „Hochintensive Röntgenstrahlen können in den normalerweise undurchsichtigen Strahlstrom eindringen, sodass wir das Innere, die Struktur und die gasförmige Umgebung des Strahls beobachten können. Solche Untersuchungen sind eine Voraussetzung, beispielsweise zur Weitrentwicklung von Einspritzssytemen, zur Verbesserung von Verbrennungsmotoren, Lackieranlagen oder Düsen in Industrieanwendungen.“

Compurtersimulation betätigt Experiment

Mit den hochintensiven Röntgenstrahlen der Advanced Photon Source und der Cornell High Energy Synchrotron Source an der Universität von Cornell können die Wissenschaftler nun die Wechselwirkungen zwischen Stoßwellen und Flüssigkeitstrahlen mit einer Auflösung von einer Millionstel Sekunde erforschen. Mit entscheidend für diesen Durchbruch war auch eine neu entwickelte Computersimulation von komplexer dynamischer Flüssigkeiten, die zum Verständnis der experimentellen Beobachtung solch dynamischer Ereignisse beitrug.

Wechelwirkungen beeinflussen die Verbrennung

So können transiente Wechselwirkungen beim Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum eines Motors einen enormen Einfluss auf die Kraftstoffverteilung und damit auf die Effizienz der Verbrennung und den Schadstoffausstoß haben. Forscher haben das dynamische Verhalten der Stoßwellen quantifiziert und gezeigt, dass die experimentelle Untersuchung auf die Flüssigkeitsdynamik vieler anderer Systeme übertragen werden kann. Die Verbindung von Simulation und Experiment erleichtert das Verständnis der Vorgänge des komplizierten Mehrphasen-Flusses, der in der Stoßwelle im Kraftstoffstrahl auftritt.

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