Transiente Durchflussmessung als Grundlage detaillierter Untersuchungen von Einspritzdüsen für die Sprayerzeugung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Weiterentwicklung der direkten Einspritztechnik für Verbrennungskraftmaschinen hat bereits ein gutes Entwicklungsniveau erreicht. Um weitere Verbesserungen zu ermöglichen und das vorhandene Optimierungspotential besser zu nutzen sind u.a. transiente Durchflussmessungen des momentanen Brennstoff-Massenstroms bei laufenden Testmotoren notwendig. Zurzeit existiert keine Messtechnik, die solche Messungen erlaubt. Zielsetzung des hier vorgestellten Projektes war die Entwicklung eines Durchflussmessgerätes für die Erfassung des momentanen Massenstromes in den Zufuhrleitungen von Benzin- Direkteinspritzsystemen. Das angewandte Messprinzip basiert auf eine vor kurzem weiter entwickelte genaue analytische Lösung für voll entwickelte, pulsierende, laminare Rohrströmungen. In früheren Arbeiten wurde gezeigt, dass Eigenschaften solcher Strömungen wie der momentane Durchfluss von einer zeitaufgelöst gemessenen Variable wie die axiale Geschwindigkeit in der Rohrmitte, oder der Druckgradient, berechnet werden können. Das im Rahmen dieses Vorhabens entwickelte Messsystem nutzt die Messung des Druckgradienten in einem Rohr (300-350 mm Länge, 3 mm Durchmesser), um den momentanen Durchfluss zu bestimmen. Für die momentane Durchflussbestimmung wird eine Fourier- Transformation des gemessenen Druckgradienten durchgeführt und die unbekannten Amplituden und Phasen des Massenflusses werden über dimensionslose Amplituden- und Phasenverhältnisse aus einer vorgerechneten Tabelle für jede Harmonische berechnet. Diese relativ einfache Vorgehensweise erlaubt ohne aufwendige Kalibrierung die Messung des momentanen Massenstroms für jeden Einspritzzyklus in den Brennstoffzufuhrleitungen von Motorenprüfständen, was bisher mit anderen Messmethoden nicht möglich war. Im Rahmen des Vorhabens wurde das entsprechende Messsystem entwickelt und seine Funktionalität in Prüfständen für niedrige (5-10 bar) sowie für höhere Drücke (bis zu 300 bar) überprüft. Da die Messmethode auf einer Druckgradientenmessung basiert, war die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Drucksensoren von existentieller Bedeutung (erforderliche Auflösung von 1/105 bis 1/106) und wurde entsprechend experimentell untersucht. Erste Arbeiten im Rahmen des Vorhabens wurden in einem Prüfstand für niedrige Drücke durchgeführt und erlaubten einen direkten Vergleich durch eine Serienschaltung mit der in der Vergangenheit entwickelten Methode zur Bestimmung des momentanen Durchflusses über Laser-Doppler-Messungen der axialen Geschwindigkeit in der Rohrmitte. Diese Untersuchungen zeigten eine sehr gute Übereinstimmung und Zuverlässigkeit der neuen Methoden im Vergleich zu den LDA-basierten Messungen. Die weiterführenden Arbeiten wurden in einem Prüfstand für Einspritzsysteme unter höheren Drücken durchgeführt, in dem mehrere Drucksensoren und zwei verschiedene Hochdruckeinspritzventile eingesetzt wurden. Software für die Online-Datenerfassung und Berechung des momentanen Durchflusses wurde entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Mehrere Verifikationsexperimente haben die prinzipielle Eignung des Messsystems demonstriert. Problematisch für die Messmethode bei hohen Systemdrücken und sehr schnellen Ventilbewegungen (Piezo-getriebene Hochdruckinjektoren, mehrfach-Einspritzung) erwiesen sich die druckstoß-induzierten Durchfluss-Oszillationen, deren Amplitude mit steigendem Systemdruck steigt. Im Rahmen des Vorhabens wurden erste Ansätze für Korrekturalgorithmen entwickelt, um diese zu berücksichtigen. Die Berücksichtigung dieser Oszillationen erfolgt unter dem Aspekt, dass diese nicht durch die Ventilöffnung sich ausbreiten können (und dementsprechend in der transienten Einspritzmenge nicht vorliegen), jedoch am Messpunkt in der Zufuhrleitung vorliegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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B. Ünsal, D. Trimis and F. Durst (2006), Transiente Durchflussmessung für piezogetriebene Einspritzdüsen, 7. Int. Symp. für Verbrennungsdiagnostik, ISBN 3-00- 018208-X, 18-19 Mai 2006, Baden-Baden.
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B. Ünsal, D. Trimis, F. Durst (2006), Instantaneous mass flow rate measurements through fuel injection nozzles, Int. Journal of Engine Research 7 (5), pp. 371-380.
