Untersuchung und Charakterisierung von Zerstäubung, Strahlausbreitung und Gemischbildung aktueller Dieseldirekteinspritzsysteme

Abstract

Ein Schwerpunkt bei der Entwicklung von direkteinspritzenden Dieselmotoren ist die Erarbeitung neuer Lösungsansätze zur Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte. Das Einspritzsystem spielt hier hinsichtlich der Zerstäubung des Kraftstoffs eine maßgebende Rolle. Durch die Verwendung neuer, flexibler Einspritzsysteme, können die entscheidenden Gemischbildungsparameter wie der Einspritzverlauf, die Tropfengrößenverteilung, die Verdampfung und somit die Verbrennung mit der damit zusammenhängenden Schadstoffentstehung beeinflusst werden. Für diese Entwicklungen ist es notwendig, je nach Lösungsansatz, die Einflüsse verschiedener Parameter detailliert zu analysieren.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein nadelhubgesteuertes Common Rail, ein sich im Serieneinsatz befindliches druckgesteuertes Pumpe Leitung Düse Einspritzsystem und das einspritzverlaufsformungsfähige Amplified Piston Common Rail System verwendet. Die grundsätzlichen hydraulischen Eigenschaften der Systeme wurden zuerst an einem Einspritzprüfstand beurteilt. Durch die Anwendung moderner optischer Analyseverfahren, werden die Einflussparameter auf die Gemischbildung dieser Systeme vergleichend untersucht. Die Betrachtung der Düseninnenströmung im Sack- und Spritzloch erfolgt mit der Hilfe von transparenten Düsenkuppen aus Acrylglas in Realgeometrie. Die unterschiedlichen Nadelöffnungsgeschwindigkeiten der untersuchten Einspritzsysteme und die resultierenden Strömungsverhältnisse im Nadelsitz verursachen beim Common Rail System Turbulenzen im Sackloch, die zu einer instabilen Kavitation in der Anfangsphase der Einspritzung und zu einem verstärkten Strahlaufbruch führen. Die dadurch vergrößerten Strahlwinkel bewirken einen erhöhten Lufteintrag in den Strahl, der zu einer schnelleren Gemischbildung, Reaktion und einer gesteigerten Stickoxidbildung führt.

Es zeigt sich, dass ein Einspritzsystem mit der Möglichkeit der Einspritzverlaufsformung und einer kurzen Sitzdrosselphase während der Nadelöffnung Potential für ein schadstoffärmeres Brennverfahren besitzt.

Working out solutions to fulfil future emission regulations is the main task in the development of future direct injection diesel engines. In the processes of fuel atomization and mixture formation the injection system plays a decisive role. Application of new and more flexible injection systems helps to optimize injection rate profile, droplet distribution, vaporization and in consequence combustion and emissions. Consequently the development of such new systems requires detailed analysis of the influences of all parameters on the fuel injection process.

In the study presented a needle lift controlled Common Rail System, a Pump Line Nozzle Injection System and a new Amplified Piston Common Rail System, allowing flexible injection rate shaping, were investigated. At first the fundamental hydraulic characteristics of the three different systems have been examined at an hydraulic test bench. Using modern optical diagnostic methods, the three systems have been compared regarding the parameters influencing mixture formation. Using transparent acrylic glass nozzles having real geometric dimensions, the internal nozzle flow was observed. The three injection systems characteristically showed different needle lift velocities. This was found to influence the flow inside the needle seat and nozzle body. In the case of the Common Rail system with constant high pressure ahead of the nozzle seat and relatively slow needle lift velocity this resulted in a highly turbulent flow into the nozzle sac hole. Consequently an instable nozzle flow and a higher primary spray break up could be observed at the start of injection, causing an increased spray angle and air entrainment into the fuel spray. These effects resulted in a faster mixture formation, combustion and hence a higher formation of nitrogen oxide.

The results show how an injection system with rate shaping capability and a short period of needle seat throttling during needle lift has potential for a reduction of engine out emissions.