Systemsimulation zur verbesserten Auslegung von Benzin-Direkteinspritzungssystemen

151 Pages·2019·3.708 MB·German

by  Michael Spitznagel

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Michael Spitznagel
Systemsimulation zur
verbesserten Auslegung
von Benzin-Direktein-
spritzungssystemen
Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Reihe herausgegeben von
Michael Bargende, Stuttgart, Deutschland
Hans-Christian Reuss, Stuttgart, Deutschland
Jochen Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Univer-
sität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenar-
beit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner
Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwe-
sen, Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche
ist die Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und
Simulation. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik,
Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit,
Kraftübertragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung
mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeug-
antriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich
Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen,
komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsys -
teme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. The -
men der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Software-
entwicklung sowie Test und Diagnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird
prüfstandsseitig neben vielem anderen unterstützt durch 19 Motorenprüfstände,
zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator, einen Antriebsstrangprüfstand,
einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aeroakustikwindkanal. Die wissen-
schaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die
am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergebnisse
der Forschungstätigkeiten am IVK.
Reihe herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535
Michael Spitznagel
Systemsimulation zur
verbesserten Auslegung
von Benzin-Direktein-
spritzungssystemen
Michael Spitznagel
IVK, Fakultät 7, Lehrstuhl für
Fahrzeugantriebe
Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2019
D93
ISSN 2567-0042 ISSN 2567-0352 (electronic)
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-27376-7 ISBN 978-3-658-27377-4 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-27377-4
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Vorwort
DievorliegendeArbeitentstandwährendmeinerTätigkeitalsMitarbeiterder
Robert Bosch GmbH im Geschäftsbereich Powertrain Solutions, in Zusam-
menarbeitmitdemInstitutfürVerbrennungsmotorenundKraftfahrwesen(IVK)
derUniversitätStuttgart.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende für die in-
tensive Betreuung meiner Arbeit, die vielen wertvollen Ratschläge und das
entgegengebrachteVertrauen.
Ebenso bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr. techn. Christian Beidl für sein
regesInteresseanderArbeitunddieÜbernahmedesKorreferats.
HerrnProf.Dr.-Ing.ThomasMaierdankeichfürdieÜbernahmedesVorsitzes
derPrüfungskommission.
GanzbesondersmöchteichmichbeiHerrnDr.rer.nat.Dr.-Ing.UweIbenund
Herrn Dr.-Ing. Ronny Leonhardt für die fachliche Betreuung der Arbeit, die
vielenDiskussionensowiedieunzähligenAnregungenbedanken.Darüberhin-
ausdankeichmeinemfrüherenVorgesetztenHerrnDipl.-Ing.UweMüller,der
mich besonders zu Beginn meiner Arbeit sehr unterstützt und die Erstellung
dieser Dissertation somit ermöglicht hat. Ebenso danke ich allen Mitarbeite-
rinnenundMitarbeiternderAbteilungenPS-GI/ENPundPS-GI/ENG-THfür
diewertvollenfachlichenDiskussionen.
Nicht zuletzt möchte ich mich bei meinen Eltern sowie bei Julia für die ste-
teUnterstützungunddenRückhaltinjeglicherHinsichtbedanken.
MichaelSpitznagel
Inhaltsverzeichnis
Vorwort........................................................................................V
Abbildungsverzeichnis ...................................................................IX
Tabellenverzeichnis.......................................................................XV
Abkürzungsverzeichnis................................................................XVII
Symbolverzeichnis ......................................................................XIX
Kurzfassung............................................................................. XXV
Abstract .................................................................................XXIX
1 EinleitungundZielsetzung.........................................................1
2 Grundlagen..............................................................................5
2.1 Fluideigenschaften..............................................................5
2.1.1 HomogeneflüssigePhase...........................................5
2.1.2 GaseinFlüssigkeiten ................................................8
2.2 StrömungsmechanischeErhaltungsgleichungen.......................11
2.3 DruckverlusteinausgewähltenHydraulikkomponenten.............13
2.3.1 DruckverlusteinRohrleitungen.................................15
2.3.2 DruckverlusteinBlenden,DrosselnundSpalten ...........17
2.4 Kapazität,InduktivitätundWiderstandinderHydraulik............19
2.5 HydraulischesVerhaltenimFrequenzbereich..........................22
3 AnalysedesBDE-Systems........................................................27
3.1 AufbauundGrundbegriffe..................................................27
3.2 DasV-Modell...................................................................29
3.3 MesstechnischeUntersuchung.............................................30
3.4 Systemstruktur.................................................................35
3.5 Komponentenanalyse.........................................................37
4 ModellentwicklungfürKomponentendesBDE-Systems...............39
4.1 Systemsimulation..............................................................39
4.2 Fluid..............................................................................40
VIII Inhaltsverzeichnis
4.3 Wellrohr..........................................................................48
4.3.1 ModellierungderDruckverluste ................................49
4.3.2 ModellierungderNachgiebigkeit...............................54
4.4 FlexibleLeitungen............................................................56
4.5 Filterelemente..................................................................61
4.6 Querschnittsübergänge.......................................................63
4.6.1 Querschnittsverengung............................................64
4.6.2 Querschnittserweiterung ..........................................66
4.6.3 ImplementierunginAMESim...................................68
4.7 Druckdämpfer..................................................................70
4.8 Flachsitzventile ................................................................74
4.9 Fördereinheit ...................................................................77
4.9.1 Modellentwicklung.................................................78
4.9.2 Validierung...........................................................81
5 IntegrationzuTeilsystemen......................................................85
5.1 Tankeinbaueinheit.............................................................85
5.2 Niederdruckleitungssystem.................................................88
5.2.1 Konfiguration1......................................................89
5.2.2 Konfiguration2......................................................92
5.3 NiederdruckbereichderHochdruckpumpe..............................93
5.4 Förder-undAntriebseinheitderHochdruckpumpe...................96
5.5 Hochdruckkreis................................................................99
6 IntegrationzumGesamtsystem................................................103
6.1 ValidierungdesAMESim-Modells ......................................103
6.2 SoftwarevergleichAMESim-GT-Suite................................107
7 Ausblick ...............................................................................111
Literaturverzeichnis......................................................................113
Anhang......................................................................................119
Abbildungsverzeichnis
2.1 KreisrundesVolumenelement(links),zweidimensionales
VolumenelementbeieinerSpaltströmung(rechts).........................11
2.2 HydraulischglattesRohr(links),hydraulischrauhesRohr(Mitte),
Wellrohr(rechts)....................................................................15
2.3 LeitungmitAnregung(links)undRandbedingung(rechts).............23
2.4 ÜbertragungsfunktioneinerLeitung,Volumenstromanregung(links)
undDruckanregung(rechts).....................................................24
2.5 Helmholtz-ResonatormiteinemVolumen(links)undzwei
Volumina(rechts) ..................................................................25
2.6 ÜbertragungsfunktioneinesHelmholtz-Resonators.......................26
3.1 AufbaudesBenzin-Direkteinspritzungssystems............................27
3.2 DefinitiondesFörderwinkels....................................................28
3.3 ModellentwicklunganhanddesV-Modells..................................29
3.4 PrüfstandsaufbaudesBDE-Systems...........................................31
3.5 BetrachteteLeitungselementeimNiederdruckleitungssystem..........31
3.6 Nockenhub(links)sowieNockengeschwindigkeit(rechts)überdem
Nockenwinkel.......................................................................32
3.7 PrinzipiellerAufbaudesBDE-SystemsmitdenMessstellen............33
3.8 MessstellenindenNiederdruckleitungssystemen,Konfiguration1
(links)undKonfiguration2(rechts) ...........................................33
3.9 DieSystemstrukturdesBenzin-Direkteinspritzungssystems............36
4.1 ApproximationderDichteρ mitderModellgleichung...................41
4.2 ApproximationderdynamischenViskositätη mitder
Modellgleichung....................................................................42
4.3 ApproximationdesDampfdrucks p mitderModellgleichung.......43
Da
4.4 OstwaldkoeffizientOsinAbhängigkeitdesDrucks.......................43
4.5 StoffmengenkonzentrationcanLuftimFluid(links),
ImplementierunginAMESim(rechts)........................................45
4.6 Wellrohr(links)sowiediegesamteTankeinbaueinheit(rechts).........48
4.7 GeometrischeDatendesWellrohrs............................................48
4.8 PrüfaufbauzurBestimmungdesDruckabfallsΔp ........................49
V
X Abbildungsverzeichnis
4.9 DruckabfallΔp überdemMassenstromm˙,Fluidtemperatur21◦C
V
◦
(links)und36 C(rechts).........................................................50
4.10 Rohrreibungszahlλ überderReynoldszahlRe..........................51
WR
4.11 Kern-undTaschenströmungineinemWellrohr............................51
4.12 GeschwindigkeitsprofilderKernströmung(links)sowie
Taschenströmung(rechts)beimMassenstromm˙ =15g/s ...............52
4.13 GeschwindigkeitsprofilderKernströmung(links)sowie
Taschenströmung(rechts)beimMassenstromm˙ =100g/s..............52
4.14 Widerstandszahlζ (links)und
WR
Durchflusskoeffizientα (rechts)desWellrohrs........................54
DWR
4.15 PrüfaufbauzurBestimmungderVolumendehnung........................55
4.16 Ausgeschobenes VolumenV über dem zugehörigen Druck im
WR
Wellrohr p ........................................................................55
WR
4.17 WandfaktorW,Querkontraktionszahlν =0.3............................58
Q
4.18 DefinitionelastischesundviskoelastischesMaterialverhalten[16]....59
4.19 MaterialmodellezurBeschreibungderEigenschafteneinerflexiblen
Leitung................................................................................59
4.20 Kraftstofffeinfilter (links) sowie HDP-Filter (rechts), Darstellung
nichtmaßstäblich...................................................................61
4.21 Druckabfall Δp über dem Volumenstrom Q, Kraftstofffeinfilter
V
(links)undHDP-Filter(rechts).................................................61
4.22 Widerstandszahlζ (links)und
HDF
Durchflusskoeffizientα (rechts)desHDP-Filters....................62
DHDF
4.23 PrinzipielleAbbildungeinerQuerschnittsverengung(links)sowie
einerQuerschnittserweiterung(rechts)........................................63
4.24 Widerstandszahlζ undDurchflusskoeffizientα beieiner
QV DQV
Querschnittsverengung............................................................64
4.25 DruckabfallΔp (links)undWiderstandszahlζ (rechts)in
V QV
AbhängigkeitvonVolumenstromunddessenFrequenz f beieiner
Querschnittsverengung............................................................65
4.26 LängedesWirbelgebietsx überderReynoldszahlRe.................66
Wir
4.27 Widerstandszahlζ undDurchflusskoeffizientα beieiner
QE DQE
Querschnittserweiterung..........................................................67
4.28 Druckabfall Δp in Abhängigkeit von Volumenstrom bei einer
V
Querschnittserweiterung,aufgetragenüberderFrequenz f (links)
sowieüberderWomersleyzahlWo(rechts)..................................67