und Verdampfungsverhalten aktueller Diesel-Einspritzsysteme

134 Pages·2001·12.61 MB·German

Theoretische und experimentelle Untersuchung zum
Strahlausbreitungs- und Verdampfungsverhalten
aktueller Diesel-Einspritzsysteme
Von der Fakultät für Energietechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der
Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung
vorgelegt von
Claus-Oliver Schmalzing
aus Biberach an der Riß
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. H. Stetter
Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. R. Maly
Tag der mündlichen Prüfung: 12.02.2001
Institut für Thermische Strömungsmaschinen
und Maschinenlaboratorium der Universität Stuttgart
2001
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit im Ressort Forschung und Technologie
der DaimlerChrysler AG in Stuttgart-Untertürkheim.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing. Heinz Stetter für seine Bereitschaft, die wissen-
schaftliche Betreuung für diese Arbeit zu übernehmen und für seine wohlwollende Unterstützung.
Herrn Professor Dr.-Ing. Rudolf Maly danke ich herzlich für sein Interesse an der Arbeit und die
freundliche Übernahme des Korreferats.
Frau Dr.-Ing. Petra Stapf und Herrn Dr.-Ing. Gregor Renner danke ich für die anregenden und
wertvollen Gespräche, die wesentlich zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Für die vielfältige
Unterstützung bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen, Auswertungen und für die
anregenden Diskussionen danke ich den Herren Dr.-Ing. Alexander Wolf, Dipl.-Ing. Rüdiger Stei-
ner, Dr.-Ing. Roger Busch, Dipl.-Ing. Ralf Weiler und Dipl.-Ing. Frank Keller.
Allen Kollegen und Mitarbeitern des Ressorts Forschung und Technologie der DaimlerChrysler AG
und des Instituts für Thermische Strömungsmaschinen der Universität Stuttgart, die mich in vielfältiger
Weise unterstützt haben, gilt mein besonderer Dank.
Nicht zuletzt möchte ich mich bei meinen Eltern Sybille und Heinrich Schmalzing und meiner Freundin
Martina Helmstädt für deren Unterstützung bedanken.
Claus-Oliver Schmalzing Ulm, im Februar 2001
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung............................................................................................................................ 1
2 Motivation und Stand der Technik.................................................................................... 3
2.1 Strahlaufbruch...................................................................................................................... 4
2.1.1 Primärzerfall............................................................................................................... 4
2.1.2 Sekundärzerfall..........................................................................................................12
2.2 Strahlausbreitung..................................................................................................................15
2.3 Modellvorstellungen der Tropfenverdampfung.......................................................................17
3 Das Modell – Physikalische Grundlagen..........................................................................23
3.1 Das Hydraulik-Simulationsprogramm ISIS............................................................................24
3.1.1 Anforderungen............................................................................................................24
3.1.2 Bausteine/Module........................................................................................................24
3.1.2.1 Berechnung des effektiven Düsenquerschnitts....................................................24
3.1.3 Modellplan..................................................................................................................28
3.2 Berechnung der Tropfenverdampfung....................................................................................30
3.2.1 Zeitliche Änderung der Tropfentemperatur................................................................30
3.2.2 Berechnung der Massenbrüche an der Tropfenoberfläche ........................................32
3.2.3 Zeitliche Änderung der Tropfengeschwindigkeit .......................................................33
3.2.4 Zeitliche Änderung der Tropfenmasse .......................................................................34
Inhaltsverzeichnis iii
3.3 Berechnung der Fluid-Eigenschaften......................................................................................36
3.3.1 Die gasförmige Phase.................................................................................................36
3.3.1.1 Dichte..................................................................................................................36
3.3.1.2 Wärmekapazität..................................................................................................37
3.3.1.3 Viskosität............................................................................................................37
3.3.1.4 Thermische Leitfähigkeit....................................................................................38
3.3.1.5 Diffusionskoeffizient...........................................................................................38
3.3.1.6 Berücksichtigung realer Brennraumbedingungen...............................................39
3.3.2 Die flüssige Phase.......................................................................................................40
3.3.2.1 Verdampfungsenthalpie......................................................................................40
3.3.2.2 Wärmekapazität..................................................................................................41
3.3.2.3 Oberflächenspannung.........................................................................................42
3.3.2.4 Dynamische Viskosität........................................................................................44
3.3.2.5 Dampfdruck........................................................................................................45
3.4 Berechnung der Strahlausbreitung ........................................................................................46
3.4.1 Kegelwinkel................................................................................................................46
3.4.2 Strahlaufbruch ...........................................................................................................47
3.4.3 Anfangsbedingungen .................................................................................................49
3.4.4 Strahlausbreitung und Verdampfung ........................................................................51
4 Versuchsapparatur.............................................................................................................53
4.1 Einspritzsysteme...................................................................................................................54
4.1.1 Pumpe-Leitung-Düse..................................................................................................54
4.1.2 Common Rail..............................................................................................................55
4.2 Die Einspritzdüse..................................................................................................................57
4.3 Messung der Einspritzrate.....................................................................................................58
4.4 Die Hochdruck-Hochtemperaturkammer..............................................................................59
4.5 Darstellung motortypischer Temperaturen und Drücke...........................................................60
4.6 Optik...................................................................................................................................61
Inhaltsverzeichnis iv
4.6.1 Die Schlierenmeßtechnik............................................................................................61
4.6.2 Zweidimensionale integrale Streulichttechnik............................................................62
4.6.3 Kombinierte Schlieren-/Streulichttechnik...................................................................62
4.7 Ablaufsteuerung und Meßdatenerfassung...............................................................................64
5 Versuchsdurchführung und Auswertung............................................................................66
5.1 Meßprogramm.....................................................................................................................66
5.2 Auswertung..........................................................................................................................67
6 Ergebnisse und Bewertung.................................................................................................71
6.1 Vergleichende Betrachtung von Rechnung und Messung........................................................72
6.2 Einfluß der Düsengeometrie..................................................................................................75
6.3 Einfluß der Kraftstoffeigenschaften........................................................................................78
6.4 Einfluß der Umgebungsbedingungen/Zylinderladung...............................................................81
6.5 Einfluß des Einspritzsystems..................................................................................................84
7 Zusammenfassung..............................................................................................................87
Anhang
A Einspritzdüse DLLA142....................................................................................................89
B PLD-Meßprogramm.........................................................................................................90
C CR-Meßprogramm...........................................................................................................91
D Hydraulik des CR-Systems...............................................................................................92
E Hydraulik des PLD-Systems.............................................................................................98
F Verdampfungsverhalten des CR-Systems.......................................................................103
G Verdampfungsverhalten des PLD-Systems.....................................................................109
H Lösung der Differentialgleichungen..................................................................................115
I Algorithmus zur Berechnung der Strahlausbreitung..........................................................117
J Durchflußbeiwert...........................................................................................................118
Literaturverzeichnis.............................................................................................................119
Formelzeichen
Zeichen Einheit Bedeutung
A m² Fläche
A m² Effektiver Spritzlochquerschnitt
eff
A m² Geometrischer Querschnitt der Spritzlöcher
d
A m² Tropfenoberfläche
sur drp
A m² Projizierter Tropfenquerschnitt
prj drp
b Massentransferparameter
m
c Widerstandsbeiwert
drag
c J/(mol K) Spezifische Wärmekapazität Kraftstoff
pL
c J/(mol K) Spezifische Wärmekapazität ideales Gas
pG
(bei konstantem Druck)
c J/(mol K) Spezifische Wärmekapazität ideales Gas
vG
(bei konstantem Volumen)
D m²/s Diffusionskoeffizient
G
d m Spritzlochdurchmesser
d m Effektiver Spritzlochdurchmesser
eff
d m Tropfendurchmesser
drp
d m Sauterdurchmesser
32
d m Mittlerer Tropfendurchmesser
10
F m² Ringspaltquerschnitt
R
F m² Innerer Ringspaltquerschnitt
Ri
F m² Äußerer Ringspaltquerschnitt
Ra
F m² Geometrischer Querschnitt Sacklocheintritt
S
D H J/kg Verdampfungsenthalpie
vp
D H J/kg Verdampfungsenthalpie unter Normbedingungen
vpb
H J/(m² s K) Wärmetransferkoeffizient
h m Nadelhub
` kg m/s² Impuls
K Kavitationszahl
K m²/s Verdampfungsrate
v
k 1/m Wellenzahl
L m Leitungslänge
Formelzeichen vii
Zeichen Einheit Bedeutung
M Massentransferzahl
u
m kg Masse
m kg Tropfenmasse
drp
m& kg/s Dampfstrom
vp
Nu Nusseltzahl
n Isentropenenexponent
n(d ) Tropfenhäufigkeit als Funktion des Durchmessers d
drp drp
Oh Ohnesorgezahl
Pr Prandtlzahl
p bar Druck
p bar Umgebungsdruck
amb
p bar Kritischer Druck
K
p bar Raildruck
rail
p bar Dampfdruck
vp
p bar Reduzierter Dampfdruck
vp r
Q m³/s Einspritzrate/Volumenstrom
&
Q J/s Wärmestrom in den Tropfen
drp
&
Q J/s Wärmestrom aus dem Tropfen (Massenverlust)
vp
r m Innerer Schwerpunktsdurchmesser (Ringspalt)
mi
r m Äußerer Schwerpunktsdurchmesser (Ringspalt)
ma
r m Tropfenradius
drp
Re Reynoldszahl
Re Reynoldszahl Gas
G
Re Reynoldszahl Flüssigkeit
L
´ kJ/(kmol K) Universelle Gaskonstante
S m Strahlspitzenweg
•
S m/s Zeitliche Änderung der Strahlspitzengeschwindigkeit
Sc Schmidtzahl
t s Zeit
T K Temperatur
T K Umgebungstemperatur
amb
T K Tropfentemperatur
drp
T K Gefriertemperatur bei Normbedingungen
F
T sur K Temperatur der Gasphase an der Tropfenoberfläche
G
T ¥ K Temperatur der Gasphase im Unendlichen
G
T K Kritische Temperatur
K
T K Siedetemperatur
S
Ty Taylorzahl
V m³ Tropfenvolumen
drp
Formelzeichen viii
Zeichen Einheit Bedeutung
v m/s Strahlaustrittsgeschwindigkeit
aus
v m/s Tropfengeschwindigkeit
drp
v m/s Paketgeschwindigkeit
parc
v m/s Relativgeschwindigkeit
rel
We Weberzahl
We Weberzahl Gas
G
We Weberzahl Flüssigkeit
L
x Molbruch
x Molbruch Kraftstoffdampf
vp
x Molbruch Gasphase
G
X kg/mol Molekulargewicht
mol
y Massenbruch
y Massenbruch Kraftstoffdampf
vp
y Massenbruch Gasphase
G
z Spritzlochanzahl
Griechische Buchstaben
Zeichen Einheit Bedeutung
a Drosselbeiwert Spritzloch
d
a Drosselbeiwert Ringspalt
R
a Drosselbeiwert Sackloch
S
W m/s Maximales Amplitudenwachstum pro Zeit
w Pitzerfaktor
w m/s Amplitudenwachstum pro Zeit
s
s N/m Oberflächenspannung
r kg/m³ Dichte
r¥ kg/m³ Dichte des Gasgemisches im Unendlichen
G
rsur kg/m³ Dichte des Gasgemisches an der Tropfenoberfläche
G
r kg/m³ Gemittelte Dichte des Gasgemisches
L m Maximale Wellenlänge einer Störung
l J/(m s K) Wärmeleitfähigkeit
l¥ J/(m s K) Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches im Unendlichen
G
lsur J/(m s K) Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches an der Tropfen-
G
oberfläche
l J/(m s K) Gemittelte Wärmeleitfähigkeit
Formelzeichen ix
Zeichen Einheit Bedeutung
l * Rohrreibungszahl
l m Wellenlänge einer Störung
s
h N/m² s Dynamische Viskosität
h¥ N/m² s Viskosität des Gasgemisches im Unendlichen
G
hsur N/m² s Viskosität des Gasgemisches an der Tropfenoberfläche
G
h N/m² s Gemittelte Viskosität
n m²/s Kinematische Viskosität
m Drosselbeiwert der Düse
Q Grad Strahlkegelwinkel
(cid:209) Nabla-Operator
k Polytropenexponent
Abkürzungen
Abkürzung Bedeutung
PLD Pumpe-Leitung-Düse Einspritzsystem
CR Common-Rail Einspritzsystem
1 Einleitung
Der Dieselmotor nimmt in Europa einen festen Platz als Antrieb für Personenwagen, Nutzfahrzeuge
und als Schiffsmotor ein. Die Entwicklung von Dieselmotoren mit direkter Einspritzung führte zu einer
weiteren Wirkungsgradsteigerung und damit verbunden, zu geringen CO -Emissionen. Die Neu- und
2
Weiterentwicklung von Dieselmotoren wird
0,25 jedoch, außer von der Forderung nach einer
hohen Wirtschaftlichkeit, in zunehmendem
0,2
h] Maß von der Abgasgesetzgebung
W
k beeinflußt. Das nebenstehende Diagramm
g/ 0,15
M [ EURO II zeigt die gegenwärtig gültigen Grenzwerte
P
kel 0,1 bezüglich Stickoxide und Partikel (EURO
arti II), und die zu erwartende Reduzierung die-
P EURO III
0,05 ser Limits (EURO III). Durch den Einsatz
modernster Einspritz- und Aufladesysteme
0
scheint es möglich, Brennverfahren zu ent-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
wickeln, mit denen die nächste Stufe der
NOx [g/kWh]
Gesetzgebung allein mit innermotorischen
Abgasgrenzwerte für PKW-Motoren
Maßnahmen erfüllt werden kann. Bei der
Entwicklung solcher Brennverfahren ist jedoch der Kundenwunsch nach einem möglichst geringen
Kraftstoffverbrauch zu berücksichtigen. Die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt nicht
zwangsläufig zu geringeren Emissionen, da für deren Entstehung nicht nur die absolut eingespritzte
Menge, sondern auch der zeitliche Verlauf des Einspritzvorgangs von Bedeutung ist.
Beim direkteinspritzenden Dieselmotor wird der Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum
eingespritzt und zerstäubt. Unmittelbar nach Einspritzbeginn setzt der Verdampfungsvorgang der sich
im Brennraumgas ausbreitenden Tröpfchen ein. Die Zerstäubung, Ver-dampfung und Durchmischung
des Kraftstoffs mit dem Umgebungsgas wird als Gemischbildung bezeichnet, der Zeitraum der dafür
zur Verfügung steht wird durch die Motordrehzahl bestimmt. Die Güte der Gemischbildung ist ab-
hängig vom Einspritzverlauf, der Düsengeometrie und der Wechselwirkung des Kraftstoffsprays mit
dem ihn umgebenden Strömungsfeld und der Kolbenmulde. Um Hinweise geben zu können, wie eine
optimierte Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum auszusehen hat, müssen die für die Gemischbil-
dung verantwortlichen Phänomene analysiert werden. So kann z.B. nur durch Vermeidung von global
überfetten Zonen eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs sichergestellt werden (Partikel Re-
duktion). Dies darf aber nicht dazu führen, daß der Homogenanteil so groß wird, daß hohe Verbren-