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Flash Boiling bei Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung: Experimentelle Untersuchungen, Modellierung und numerische Simulation

Weber, Daniel :
Flash Boiling bei Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung: Experimentelle Untersuchungen, Modellierung und numerische Simulation.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Flash Boiling bei Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung: Experimentelle Untersuchungen, Modellierung und numerische Simulation
Language: German
Abstract:

Die Menge der beim Betrieb von Verbrennungsmotoren entstehenden Schadstoffemissionen wird im Rahmen der weltweiten Abgasgesetzgebungen zunehmend limitiert. Das bei der Benzindirekteinspritzung mittels Hochdruckinjektor erzeugte Kraftstoffspray gehört zu den wichtigsten Bestandteilen eines Brennverfahrens, mit dem die Schadstoffemissionen beeinflusst werden können. Das Phänomen Flash Boiling kann einen wesentlichen Einfluss auf die Spraygeometrie sowie die Strahleindringtiefe und in der Folge auf die Schadstoffemissionen haben. Flash Boiling tritt dann auf, wenn sich der Kraftstoff zum Zeitpunkt der Einspritzung in Bezug auf den Brennraumdruck in einem überhitzten Zustand befindet, was insbesondere bei niedrigen Motolasten beobachtet werden kann. Mit zunehmender Überhitzung des Kraftstoffs steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die einzelnen Spraystrahlen zu einem einzigen Hauptstrahl kollabieren. Gleichzeitig kann die Eindringtiefe des Sprays deutlich zunehmen. Um beurteilen zu können, ob und in welchem Maße Flash Boiling erhöhte Schadstoffemissionen zur Folge haben könnte, wird ein tieferes Verständnis der relevanten Wirkzusammenhänge benötigt.

Ein wichtiger Aspekt sind hierbei die im Motorbetrieb auftretenden und für Flash Boiling relevanten Bedingungen. Neben dem verhältnismäßig einfach zu ermittelnden Brennraumdruck spielt hierbei auch die Temperatur des Kraftstoffs beim Eintritt in den Brennraum eine wesentliche Rolle. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher unter anderem umfangreiche Temperaturmessungen des Kraftstoffs an der Injektorspitze durchgeführt. Diese Messungen wurden zum einen an einem stationär betriebenen Einzylindermotorprüfstand durchgeführt, wobei die Temperaturen bei verschiedenen Betriebsbedingungen und Einbaupositionen des Injektors ermittelt wurden. Weitere Messungen wurden an einem in einem Fahrzeug verbauten Vollmotor durchgeführt. Hier stand vor allem das Kraftstofftemperaturverhalten im realitätsnahen, stark transienten Fahrbetrieb im Fokus. Die gewonnenen Messdaten stellen eine wertvolle Datenbasis für Spraysimulationen mittels 3D-CFD dar, da hierbei die Kraftstofftemperatur beim Eintritt in den Brennraum als Randbedingung vorgegeben werden muss.

Mit dem Ziel eine verbesserte Modellierung für die Simulation von Sprays mit überhitztem Kraftstoff zu erarbeiten, wurden zunächst verschiedene experimentelle Untersuchungen an einem repräsentativen Mehrlochinjektor durchgeführt, bei dem der Einfluss verschiedener Druck- und Temperaturrandbedingungen auf das Gesamtsprayverhalten analysiert wurde. In einer weiteren umfangreichen Studie wurde das Spray eines generischen Zweilochinjektors untersucht. Hierbei lag der Fokus auf dem überhitzungsbedingten Verhalten der einzelnen Strahlen, welche in diesem Fall besser isoliert analysiert werden konnten.

Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde anschließend ein empirisches Modell für den überhitzungsbedingten Strahlzerfall erarbeitet, welches im Rahmen von Spraysimulationen mittels 3D-CFD eingesetzt werden kann. Gegenüberstellungen der hiermit erzielten Simulationsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten zeigen eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich des Einflusses von Flash Boiling auf das Sprayverhalten. Die Simulation von Einspritzung, Gemisch- und Wandfilmbildung in einem Verbrennungsmotor erfolgte in einem letzten Schritt. Vergleichend betrachtet wurde hier die Einspritzung von überhitztem und nicht überhitztem Kraftstoff. Hierbei konnte gezeigt werden, dass Flash Boiling in dem vorliegenden Fall einen signifikanten Einfluss auf den entstehenden Kraftstoffwandfilm an den Brennraumwänden sowie auf dem Kolbenboden und damit auch auf die zu erwartenden Rußpartikelemissionen hat.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The amount of pollutant emissions generated during the operation of internal combustion engines is increasingly limited within the framework of the worldwide exhaust gas legislation. The fuel spray generated by the high-pressure injection in the direct fuel injection system is one of the most important components of a combustion process that can be used to influence pollutant emissions. The phenomenon of flash boiling can have a significant influence on the spray geometry as well as the penetration and, as a consequence, the pollutant emissions. Flash boiling occurs when the fuel is superheated with respect to the pressure within the combustion chamber at the time of injection, which can be observed particularly at low engine loads. As the superheating of the fuel increases, the likelihood that the individual spray plumes will collapse into a single main jet increases. At the same time, the penetration of the spray can increase significantly. To assess whether and to what extent flash boiling could lead to an increase in pollutant emissions, a deeper understanding of the relevant mechanisms is needed. An important aspect here is the conditions occurring during engine operation that are relevant for flash boiling. In addition to the relatively easy-to-determine combustion chamber pressure, the temperature of the fuel when entering the combustion chamber plays a very important role. Within the framework of this thesis, extensive temperature measurements of the fuel at the injector tip were carried out. At first measurements were carried out on a stationary single-cylinder engine test stand. Fuel temperatures were determined at different operating conditions and installation positions of the injector. Further measurements were carried out on a full engine mounted in a vehicle. In particular, the intention was to determine the behavior of the fuel temperature during realistic, highly transient engine operation. The obtained measurement data represent a valuable data base for spray simulations using 3D-CFD, since the fuel temperature must be defined as a boundary condition when the fuel is injected into the combustion chamber. With the aim of developing an improved model for spray simulations with superheated fuel, several experimental investigations were carried out using a representative multi-hole injector in which the influence of different pressure and temperature boundary conditions on the overall spray behavior was analyzed. In another extensive study the spray of a generic two-hole injector was examined. The focus was on the superheating-induced behavior of the individual spray plumes. Based on the findings, an empirical model for the superheated spray breakup was developed, which can be used in the context of spray simulations using 3D-CFD. Comparison of the simulation results obtained with experimentally determined data shows a very good agreement with regard to the influence of flash boiling on the spray behavior. The simulation of injection, mixture and wall film formation in a combustion engine was performed in a final step. The injection of superheated and non-superheated fuel was considered as a comparison. It could be shown here that flash boiling in the present case has a significant influence on the resulting fuel wall film on the combustion chamber walls as well as on the piston bottom and thus also on the expected soot particle emissions.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Flash Boiling, Benzindirekteinspritzung, Simulation, CFD, Spray, Ottomotor
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 02 Dec 2016 14:15
Last Modified: 02 Dec 2016 14:15
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57438
Referees: Stephan, Prof. Peter and Beidl, Prof. Christian
Refereed: 29 June 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5743
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