Numerische Analyse der Sprayausbreitung bei der Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren - Vogel, Thomas; Rieß, Sebastian; Wensing, Michael; Leipertz, Alfred; Lutz, Michael (Tagung Motorische Verbrennung im Haus der Technik, 2011)
Die Ausbreitung der flüssigen Kraftstoffphase ist sowohl in Diesel-Verfahren (in dominanter weise) als auch in ottomotorischen Verfahren mitbestimmend für den Verlauf der Verbrennung und damit für Effizienz und Schadstoffausstoß. Wichtig ist bei der Einspritzung mit hohen Kraftstoffdrücken eine Vermeidung des Wandkontaktes der flüssigen Kraftstoffphase, da dieser zu einer verzögerten und unvollständigen Verdampfung führt, was wiederum die Bildung von Ruß und den Ausstoß von unverbrannten Kohlenwasserstoffen fördert. Die Haupteinflussparameter auf die Sprayausbreitung, der Gasdruck, die Gastemperatur und Kraftstoffdruck wurden in vielen Publikationen untersucht. Aktuell gibt es über zehn Modelle, welche die Ausbreitung der flüssigen Kraftstoffphase beschreiben. In eigenen Messungen wurde die Sprayausbreitung unter Umgebungsbedingungen, wie sie in aktuellen Dieselmotoren vorkommen, mittels Mie-Streuung untersucht. Es konnten Umgebungs-Gasdrücke von bis zu 100 bar und Temperaturen bis zu 1000 K realisiert werden, wobei Einspritzdrücke bis zu 2500 bar möglich sind, was die Möglichkeiten aktueller Diesel-Common-Rail-Injektoren übertrifft. Untersucht wurde u.a. der Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung auf die Ausbreitung der flüssigen Phase. Neben handelsüblichen Dieselkraftstoffen kamen aktuell neu in den Markt kommende Premium-Dieselkraftstoffe zum Einsatz [1]. Darüber hinaus wurden zum Vergleich Referenzkraftstoffe und alternative Kraftstoffe wie RME, synthetischer Diesel und Rapsöl untersucht [2]. Mit Hilfe einer numerischen Analyse des Ausbreitungsverhaltens wurde der Start der Verdampfung und der Zustand der stationären Sprayphase ausgewertet. Durch automatische erzeugte Polynome konnte der gesamte Verlauf der Eindringtiefe der flüssigen Kraftstoffphase in einer stetigen Funktion beschrieben werden. Über die Abbildung des tatsächlichen Ausbreitungsverhaltens hinaus konnte die Sprayausbreitung mit Unterdrückung der Verdampfung simuliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass das Ausbreitungsverhalten in dem Fall, dass keine Verdampfung stattfindet exakt einer Wurzelfunktion folgt. Diese Auswerte-Algorithmen sind sowohl auf die Messungen unter Dieselbedingungen als auch unter ottomotorischen Bedingungen einsetzbar. Unterschiede zu früheren, in der Literatur beschriebenen Spraymodellen ergeben sich vor allem bei Betriebspunkten mit hohen Gasdrücken und Gastemperaturen. Charakteristisch für moderne Diesel-Einspritzsysteme ist, dass ein stationärer Sprayzustand erreicht wird, bei dem genau so viel Masse an Kraftstoff in die Dampfphase übergeht wie gleichzeitig eingespritzt wird. Dies zeigt sich in einem Plateau in der über die Zeit gemessenen Eindringtiefe der flüssigen Phase. Dieser stationäre Zustand ist stark abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Kraftstoffs, der Temperatur des umgebenden Gases, der Gasdichte und dem Einspritzdruck. Hier hat sich, analog zu früheren Messungen unter ottomotorischen Bedingungen ein dominanter Einfluss der schwersiedenden Kraftstoffkomponenten abgezeichnet [3]. Weiterhin beschreiben bisherige Modelle nur unzureichend den Start der Sprayausbreitung. In den meisten Fällen wird mit einer unendlichen Sprayausbreitungsgeschwindigkeit bei Einspritzbeginn gerechnet, was dazu führt, dass die Modellkurven die Realität entweder im zeitlichen Bereich kurz nach Beginn der Einspritzung oder in einem Bereich deutlich nach Einspritzbeginn genau beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass Kraftstoffe ähnlicher Dichte unter gleichen Umgebungsbedingungen ein ähnliches Sprayausbreitungsverhalten zeigen. Dieses Ausbreitungsverhalten kann durch eine Wurzelkurve mit verschobenem Scheitelpunkt beschrieben werden. Durch das Verschieben des Scheitelpunkts konnte auch die Startgeschwindigkeit des Sprays berücksichtigt und mit der Strömungsgeschwindigkeit nach Bernoulli korreliert werden. Beim Übergang von der Ausbreitungsphase in die Verdampfungsphase zeigen sich gravierende Unterschiede zwischen den verwendeten Kraftstoffen. Hier machen sich geringste Anteile von schwersiedenden Komponenten deutlich bemerkbar. So liegt zum Beispiel bei Teillastbedingungen die maximale Eindringtiefe von schwerer siedendem Rapsmethylester 35% höher als die Eindringtiefe von Referenzdieselkraftstoff. Bei Rapsöl konnten unter Teillast-Bedingungen gar keine Verdampfungseinflüsse auf die Penetration beobachtet werden.<br