Entwicklung von Einspritzdrüsen

AVL FIRE™ bietet einmalige Funktionen zur Analyse und Optimierung von Einspritzdüsen bezüglich instationärer Einspritzraten, dem Auftreten von Kavitation und potentieller Materialschaden.

AVL Approach

AVL FIRE™ ist bei der Entwicklung und Optimierung von Einspritzdüsen ein unverzichtbares Werkzeug. Während die eindimensionalen AVL BOOST™ HYDSIM Modelle typischerweise das gesamte Einspritzsystem vom Kraftstofftank bis zum Einspritzventil abbilden, liegt der Fokus bei AVL FIRE™- Modellen auf der dreidimensionalen Strömungsberechnung in der Einspritzdüse.


Benefits at a Glance

Konkurrenzlose Simulationsfähigkeiten ermöglichen virtuelle Konzeptverifikationen, damit:

  • höhere Motorleistungen und niedrigere Motor-Rohgasemissionen erreicht werden
  • Kavitation und Erosion reduziert werden
  • Verkokung der Düsenöffnung vermieden werden.

Leistung zählt

In der Startphase der Entwicklung sind weder Nadelhub noch Eingangsdrücke bekannt, daher ist eine virtuelle Prototypenumgebung unerlässlich. Dabei stellen gekoppelte 1D/3D-Simulationen der Kraftstoffeinspritzung die beste Unterstützung dar. Mit den Informationen aus der AVL BOOST HYDSIM Simulation werden der longitudinale und radiale Nadelversatz sowie das Druckniveau zur Verfügung gestellt, während AVL FIRE™ eine genaue Prognose der Kraftstoffbedingungen in der Einspritzdrüse und seine Auswirkung auf Zerstäubung, Zündung und Verbrennung in der Brennkammer des Verbrennungsmotors ermöglicht. Um das maximale Potential der beiden Werkzeuge herauszuholen, können BOOST™ und FIRE™ als Co-Simulationen verwendet werden. FIRE™ liefert dabei die Druckkräfte an der Einspritznadel und BOOST™ berechnet die Längs- und Radialnadelbewegung basierend auf diesen Informationen.

Das Problem

Moderne Einspritzsysteme bedienen sich hoher Pumpdrücke, um das Zerstäuben von Tröpfchen und die Gemischbildung in der Brennkammer zu verbessern. Das Ziel ist es, die Leistung und die Effizienz zu erhöhen und die Rohemissionen zu minimieren. Die daraus resultierenden Druckunterschiede zwischen Kraftstoffleitung und Brennkammer sind sehr groß und führen daher zu sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten in der Einspritzdüse. So wird erreicht, dass der Treibstoff einen Phasenübergang von einem Flüssigzustand in Dampf durchmacht. Der Dampf reduziert die effektive Fläche der Düsenöffnung und daher kann die Kraftstoffmenge, die innerhalb einer Einspritzung in den Brennkammern freigesetzt wird, verringert werden. Zusätzlich wirkt sich der Dampf auch auf die Bedingungen, die eine Freisetzung der Kraftstofftröpfchen weiter weg von der Düse bestimmen, aus.

Die Lösung

AVL FIRE™ bietet eine fortgeschrittene Kavitationsmodellierung an, um Kavitationseffekte und die Eindringung des Kraftstoffs in den Brennraum präzise abzubilden. Diese exakte Vorhersage von transienten Durchflussraten ermöglicht einen detaillierten Einblick in die instationären Strömungsverhältnisse in den Austrittsbereichen der Düsenöffnungen.

Anbindungen

Die mit AVL FIRE™ simulierten Strömungsbedingungen, die an der Austrittsebene der Düsenöffnung vorhergesagt werden, dienen als Eingabewerte für innermotorische Verbrennungssimulationen. So kann eine optimale Korrelation zwischen den Strömungsbedingungen innerhalb der Düse und jenen, unter welchen der Kraftstoff in die Brennkammer freigesetzt wird, erreicht werden.

Erosionsmodellierung

Die Kavitation in den Einspritzdüsen verursacht sehr oft eine Erosion des Materials und steht somit in engem Zusammenhang mit der Lebensdauer der Einspritzkomponenten. Die Vorhersage der Erosionswahrscheinlichkeit hilft bei der Definition der Designparameter, die ein konstante Düsenleistung (und Motorleistung) während des gesamten Lebenszyklus ermöglichen.

Das von AVL FIRE™ angebotene Kavitations-/Erosionsmodell hat sich als einmalige und sehr wertvolle Funktion erwiesen und ist bereits in vielen Entwicklungsprojekte zuverlässig eingesetzt worden.