Phänomenologisch, empirisches Modell zur Vorausberechnung der charakteristischen Kenngrößen eines Dieselsprays

Dissertation, 2018

von Dr.-Ing. Florian Schwarzmüller

Kurzfassung

Der Dieselmotor hat eine bedeutende Rolle in der Gesellschaft. Neben dem breiten Einsatz in Nutzfahrzeugen und Stationärmotoren hat in den letzten Jahrzehnten seine Bedeutung für den Individualverkehr zugenommen. Dazu trug eine kontinuierliche Entwicklung der Motoren bei. Die Einspritzung ist dabei als ein wesentliches Element zur Optimierung der Verbrennung und Reduzierung der Emissionen der dieselmotorischen Verbrennung anzusehen. Zusätzlich führen hohe Anforderungen, durch Steigerung der spezifischen Leistung bei gleichzeitiger Senkung der Kohlenstoffdioxid- und Schadstoffemissionen, zu einer Erhöhung der Komplexität des Entwicklungsprozesses. Unter anderem sind dynamische Vorgänge während der Einspritzung bereits in frühen Entwicklungsphasen genauer zu beleuchten, da ihr Einfluss auf Spray und Gemischbildung nicht mehr zu vernachlässigen ist. Dem Einsatz virtueller Werkzeuge kommt mehr Bedeutung zur Beherrschung dieser Komplexität zu. Vorteile bieten prädikative Werkzeuge, die bereits in der frühen Phase einer Entwicklung anwendbar sind.

Die Erstellung eines solchen Modells erfordert zunächst gutes Systemverständnis. Im Falle der Einspritzung, des Sprays und der Gemischbildung beinhaltet dies Kenntnis über die Einflüsse auf die Strömung in der Düse sowie die Wechselwirkungen zwischen Kraftstoff und umgebender Gasphase. Entscheidend ist demnach eine ganzheitliche Betrachtung der Einspritzung. Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Beleuchtung der Einspritzung mittels Simulation und Versuch. Beide Aspekte unterstützen sich und vertiefen dadurch das Verständnis. Dabei dienen die Versuche einerseits zur Generierung einer umfangreichen Datenbasis, andererseits zur Erzeugung von Randbedingungen und zur Validierung der Simulationsmethoden.

Die Versuche beinhalten Messungen der Einspritzrate an einem Einspritzverlaufsindikator sowie des Nadelhubs zur Charakterisierung des Injektorverhaltens und zum Abgleich eines Injektormodells, zudem optische Messungen des Sprays zur Bestimmung der Eindringtiefe und der Spraykegelwinkel im Nah- und Fernbereich der Düse. Verschiedene Simulationen bilden die gemessenen Größen und Abläufe numerisch ab. Dazu bildet ein Hydraulikmodell des Injektors die Basis zur Erstellung der Randbedingungen für die CFD-Simulationen der Düseninnenströmung und des Sprays. Aus den Simulationen resultieren Erkenntnisse zur Strömung im Inneren der Düse. Aus diesen ist ein phänomenologischer Ansatz zur Beschreibung der Einströmung ins Spritzloch abgeleitet.

Die Umsetzung und Integration dieses phänomenologischen Ansatzes ermöglicht bereits in der frühen Entwicklungsphase, in Kombination mit angepassten und erweiterten Modellen zur Berechnung der Düsendurchströmung und Ausbildung des Sprays, die Berechnung charakteristischer Spraygrößen unter Berücksichtigung dynamischer Vorgänge mittels eines einfachen Berechnungswerkzeuges. Als großen Vorteil erfordert das erarbeitete Modell dazu ausschließlich die in dieser Entwicklungsphase bereits bekannte geometrische Beschreibung der Düse, dazu in zeitlich aufgelöster Form den Druck vor dem Nadelsitz, den Nadelhub sowie Druck und Dichte des Mediums in das der Kraftstoff eindringt.

Umfang:  143 Seiten

ISBN: 978-3-943813-26-5

Preis: 33 € (zzgl. 2 € Versand)

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