Hochdruck-Diesel-Direkteinspritzung

Einspritz- und Verbrennungsvorgang in Teilprozessen samt Messverfahren

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Der Einspritz- und Verbrennungsvorgang aufgeteilt in seine Teilprozesse (oben), die alle Gegenstand aktueller theoretischer und experimenteller Forschung sind, sowie die eingesetzten Messverfahren und -geräte (unten).

Für die Motorenkonstrukteure war der Weg dahin mühsam, denn ein Trial-and-Error-Vorgehen, also durch schrittweise Optimierung in langwierigen Versuchsreihen zum Ziel zu kommen, verbietet sich angesichts der Komplexität des Einspritz- und Verbrennungsprozesses. Statt dessen mussten die auftretenden physikalischen und chemischen Effekte erkannt und auf einfache, aber dennoch realitätsnahe Modelle abgebildet werden.

Dreidimensionale Simulation der Düseninnenströmung bei 2000 bar

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3D-Simulation der Düseninnenströmung bei 2000 bar. Die Kanäle im Innern der Düse werden in kleine Volumenelemente zerlegt, um die Dieselströmung (Geschwindigkeit, Druck, Richtung, ...) bei Öffnen des Ventils zu analysieren. Der Ausspritzkanal hat einen Durchmesser von weniger als 0,2 mm

Einige Beispiele und Ergebnisse sollen dies illustrieren. Die hydrodynamischen Vorgänge, die bei Drucken bis 2000 bar im Inneren der Einspritzdüse ablaufen, werden heute dreidimensional berechnet. Man beobachtet dabei Druckverläufe, die bei ungünstig geformten Strömungskanälen zu Kavitation führen können. Dieses hydrodynamische Phänomen, bei dem in einer schnell bewegten Flüssigkeit Blasen entstehen und implodieren, kann Oberflächen angreifen und die Lebensdauer von Bauteilen beeinträchtigen. Solche Vorgänge müssen im Innern der Düse durch geeignete Formgebung der Strömungskanäle vermieden werden.

Die Simulation der Strömungsvorgänge unter Einschluss von komplexen Phänomenen wie z. B. Kavitation, Mehrphasenströmung, Mischung, Verdampfung und Kondensation ist eine große Herausforderung, die derzeit in gemeinsamer Anstrengung von Industrie und Wissenschaft angegangen wird.

Simulation von Sprayausbildung und Verdampfung beim Hochdruck-Einspritzvorgang

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Erste Simulation von Sprayausbildung und Verdampfung beim Hochdruck-Einspritzvorgang. Gezeigt wird, wie sich ein Tropfen des Dieselkraftstoffs mit dem Sauerstoff der Luft im Zylinder vermischt.

Die physikalischen Vorgänge bei der nachfolgenden Sprayausbildung, Verdampfung und Verbrennung sind noch weitaus komplexer und werden die Wissenschaft noch viele Jahre beschäftigen. Die Verbrennung ist ein komplizierter Vorgang, bei dem die Thermodynamik, Molekülphysik, Aerodynamik, Oberflächenphysik und Chemie eine Rolle spielen. Noch sind wir weit davon entfernt, diesen Vorgang umfassend zu verstehen: Wir können noch nicht vollständig beschreiben, wie etwa die Schadstoffzusammensetzung des Abgases zustande kommt und wie sie von den Betriebsparametern, z. B. Einspritzdruck, Tröpfchengröße, Gemischverteilung und Wandtemperaturen, abhängt. Immerhin haben wir schon einige erste Einblicke in die genannten Vorgänge gewonnen, nicht zuletzt mit Hilfe von Computersimulationen. So zeigen Abb. 3 und Abb. 4 die ersten Schritte in der Simulation des Verbrennungsvorgangs.

Simulation des Verbrennungsvorgangs, Temperaturverteilung während der Sprayausbildung.

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Simulation des Verbrennungsvorgangs. Gezeigt ist die Temperaturverteilung während der Sprayausbildung. Solche Simulationen sind erforderlich, um ein Verständnis etwa für den Zündvorgang oder die Ausbreitung der Verbrennung zu entwickeln.

Alle Simulationsmodelle müssen jedoch mit Hilfe von aufwendigen Messungen validiert werden. Abb. 5 zeigt einen Messaufbau am "gläsernen Motor". Dabei werden durch Fenster in Kolbenboden und Zylinderwand mit Hilfe eines Laserstrahls die Vorgänge im Innern des Zylinders beobachtet und Daten für den Vergleich mit den theoretischen Modellen gewonnen. Der Aufwand in Theorie und Experiment ist erheblich. So zeigt Tabelle 1 eine Aufstellung der Größen, die für den Verbrennungsvorgang wichtig sind. Aber dieser Aufwand wird sich auszahlen: Angesichts des enormen Kraftstoffverbrauchs in Deutschland von jährlich mehr als 60 Mrd. Liter Benzin und Diesel bringt jede noch so geringe prozentuale Einsparung einen erheblichen Gewinn - für unsere Volkswirtschaft wie auch für unsere Umwelt.

Tabelle 1: Aufstellung von Messgrößen, die heute im Labor am "gläsernen Motor" mit Laserverfahren gemessen werden. Wenn auch die Genauigkeit vielfach noch unzureichend ist, liefern die Messungen doch oftmals qualitative Aussagen, die die Motorenentwicklung vorantreiben. (Universität Bielefeld)