Untersuchung des Strahlzerfalls bei sich durchdringenden Einspritzstrahlen einer Register-Einspritzdüse im Hinblick auf die Gemischbildung in modernen Dieselmotoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Verbrennung in modernen Dieselmotoren wird maßgeblich von den während der Einspritzung ablaufenden Gemischbildungsvorgängen bestimmt. Kleine Tropfendurchmesser, gute Verdampfungseigenschaften und ein möglichst großes für die Gemischbildung genutztes Volumen sind die primären Ziele. Verkleinerte Spritzlochdurchmesser können die Zerstäubung signifikant verbessern, reduzieren aber den Strahlimpuls und verringern insbesondere bei hohen Dichten im Brennraum die Strahlpenetration. Daraus resultiert eine reduzierte Luftausnutzung im volllastnahen und Volllastbetrieb. In dem Forschungsvorhaben „Untersuchung des Strahlzerfalls sich durchdringender Einspritzstrahlen von Registerdüsen im Hinblick auf die Gemischbildung in modernen Dieselmotoren“ wurde mittels der hydraulischen Analyse des Einspritzvorgangs, optischen Untersuchungen in der Hochdruckkammer und 3D CFD Simulationsrechnungen untersucht, inwieweit Düsen mit übereinanderliegenden Lochreihen und gruppierten Spritzlöchern diesen Zielkonflikt entschärfen bzw. ggf. auflösen können. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wird auf den Einfluss der geometrischen Anordnung der Spritzlöcher zueinander gelegt. Es werden Düsenkonfigurationen mit parallel zueinander angeordneten Spritzlöchern, divergente Konfigurationen d.h. einem nach außen öffnenden, eingeschlossenen Winkel zwischen den gruppierten Spritzlöchern und konvergente Konfigurationen untersucht. Die erstmalig durchgeführte separate Vermessung der Einspritzraten der oberen als Sitzlochdüse ausgeführten und unteren als Sacklochdüse ausgeführten Spritzlochebene zeigen, dass sich die zweireihigen Düsenkonfigurationen hydraulisch nicht grundsätzlich von konventionellen Düsen mit gleichem hydraulischen Durchfluss unterscheiden. Lediglich bei kurzen Ansteuerdauern und relativ niedrigen Raildrücken (kleiner gleich 800 bar) können deutliche Unterschiede in der Aufteilung der Volumenströme auf die die obere und untere Spritzlochreihe beobachtet werden. Begleitend durchgeführte 3D CFD Innenströmungssimulationen deuten daraufhin, dass insbesondere die Geometrie der Spritzlocheintritte und Drosseleffekte infolge einer nicht vollständig geöffneten Düsennadel dieses Verhalten signifikant beeinflussen. Die optischen Untersuchungen zeigen, dass stark divergente Düsenkonfigurationen und Düsen mit gegeneinander verdrehten Lochreihen kein zusammenhängendes gemeinsames Spray erzeugen. Lediglich bei konvergenten, parallelen und leicht divergenten Konfigurationen kann ein vergleichbares Penetrationsverhalten wie bei einer konventionellen einreihigen Düse mit gleichem hydraulischen Durchfluss beobachtet werden kann. Der Konvergenzgrad beeinflusst die Form und das Penetrationsverhalten des Sprays, ein hoher Konvergenzgrad führt zu einem schmalen Sprühstrahl mit gesteigerter Penetration. Die insgesamt für die Gemischbildung zur Verfügung stehende Strahloberfläche ist bei hohen Konvergenzgraden aber insbesondere im Vergleich zu parallelen Düsenkonfigurationen und leicht divergenten Konfigurationen kleiner. Erstmalig wurden in diesem Forschungsvorhaben die lokalen Tropfengeschwindigkeiten der interagierenden Einspritzstrahlen in unmittelbarer Nähe des Spritzlochs (<1mm Abstand) bestimmt. Unter stationären Randbedingungen, d.h. relativ langen Ansteuerdauern, werden bei allen Düsenkonfigurationen leicht höhere Tropfengeschwindigkeiten in dem Einspritzstrahl des unteren Spritzlochs (Sacklochkonfiguration) gemessen. Die Lage der Spritzlochdüsen zueinander hat insbesondere bei dem untersuchten Raildruckniveau von 1200 bar nur geringen Einfluss auf die lokalen Tropfengeschwindigkeiten im Düsennahbereich. Grundsätzlich werden jedoch die höchsten Tropfengeschwindigkeiten für die konvergenten Düsenkonfigurationen beobachtet. Bei allen untersuchten zweireihigen Düsenkonfigurationen kann eine starke Abnahme der Tropfengeschwindigkeiten nur im Bereich zwischen 2 mm und 3 mm Abstand vom Spritzloch beobachtet werden. Mit steigendem Raildruck wird die relative Abnahme der Tropfengeschwindigkeit reduziert, was auf einen geringeren Impulsaustausch mit der Gasphase hindeutet. Die für die Abbildung von zwei Sprühstrahlen erweiterten 3D CFD Simulationsmodelle und mittels statistischer Versuchsplanung angepassten Strahlzerfallsmodelle bilden die zur Validierung benutzten Strahleigenschaften wie Penetration, Strahlform, Strahlfläche und auch die lokalen Tropfengeschwindigkeiten gut ab. Bei allen zweireihigen Düsenkonfigurationen wird im Vergleich zu der konventionellen einreihigen Düse mit gleichem hydraulischen Durchfluss der Anteil von Tropfen mit kleinem Durchmesser vergrößert. Auch die in Form von kleinen Tropfen aufbereitete Kraftstoffmasse wird deutlich erhöht. Der größte Anteil an kleinen Tropfen wird mit den konvergenten Düsenkonfigurationen erzielt. Im Gegensatz zu der leicht divergenten Düsenkonfiguration liegen die Tropfen hier aber insbesondere im Kernbereich des gemeinsamen Sprays vor. Bei den parallelen und leicht divergenten Düsenkonfigurationen wird auch für die Schergrenzzone bzw. die Strahlrandbereiche ein hoher Anteil an Kraftstofftropfen mit geringem Durchmesser errechnet, so dass für diese Konfigurationen auch die günstigsten Verdampfungseigenschaften berechnet werden. Die in diesem Forschungsvorhaben gesammelten Erkenntnisse deuten an, dass insbesondere konvergente, parallele und leicht divergente Düsenkonfigurationen das Potenzial aufweisen, den Zielkonflikt zwischen guter Zerstäubung im Teillastbetrieb und hohem Strahlimpuls bzw. hoher Penetration im Volllastbetrieb teilweise zu entschärfen. Die durchgeführten Untersuchungen und erstellten Simulationsmodelle bilden damit die Grundlage für zukünftige Forschungsaktivitäten zu Einspritzdüsen mit gruppierten Spritzlöchern und deren Anwendung in Verbrennungsmotoren mit innerer Gemischbildung und Qualitätsregelung. Wichtige Fragestellungen sind dabei insbesondere der Einfluss des im Brennraum vorliegenden lokalen, inhomogenen Strömungsfelds auf den Strahlzerfall und die Sprayausbreitung sowie der Einfluss der Brennraumwände auf die Sprayausbreitung insbesondere im volllastnahen und Volllastbetrieb. Auch die genaue Analyse der Düseninnenströmung bei zweireihigen Düsen und die gezielte Auslegung z. B. der oberen Spritzlochebene und der Zuströmung für kleine Einspritzmengen bzw. Voreinspritzungen sind wichtige zu klärende Fragestellungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Advanced Nozzle Geometry Layout by Interlinking of CAE and Experiment, in Proceedings of FISITA World Automotive Congress 2008. Springer Automotive Media
Busch, H.; Menne, C. et al.
- 3D-CFD In Nozzle Flow Simulation and Separate Row Injection Rate Measurement as preparatory steps for a detailed Analysis of Multi-Layer Nozzles, in C. Schulz, N. Peters (Eds.), Seventh International Symposium Towards Clean Diesel Engines 2009, Aachen, ISSN 1613-0073, Vol. 452, CEUR Proceedings
Menne, C.; Janssen, A. et al.
- Advanced Two Row Nozzle Concepts with Interacting Fuel Sprays, in THIESEL 2010 Conference on Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Diesel Engines, Valencia, September 14th-17th, 2010
Menne, C.; Pischinger, S. et al.
- Effects of Ambient Conditions and Nozzle Design on the Velocity of Clustered Diesel Jets, in 15th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics Lisbon, Portugal, July 5th-8th, 2010
Brands, T.; Pischinger, S.; Grünefeld, G. et al.
- Grundlagenuntersuchungen an Dieseleinspritzdüsen mit zwei Lochreihen und sich durchdringenden Einspritzstrahlen, in Wissenschaftssymposium Automobiltechnik, Coburg, Oktober 2010
Menne, C.; Jakob M.; S. Pischinger et al.
