Untersuchungen der mehrphasigen Strömungs- und Kavitationsprozesse in transparenten Einspritzdüsen unter Höchstdruckbedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Friedrich Dinkelacker
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290019181

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Insbesondere im Mittel- und Langstreckenverkehr und bei Nutzfahrzeugen wird der Verbrennungsmotor weiterhin eine zentrale Bedeutung für die auf Mobilität basierende Gesellschaft besitzen. Dabei ist die Kraftstoffeinspritzung von zentraler Bedeutung, da hier die Anfangsbedingungen für die nachfolgende Verbrennung und Schadstoffbildung gelegt werden. Dies gilt gerade mit dem Fokus auf das CO2-Einsparungsspotential, der Kraftstoffsparsamkeit und den sinkenden Abgasgrenzwerten. In diesem Forschungsvorhaben wurden die instationären und dynamischen Strömungsprozesse im Injektor untersucht, indem die Injektorspitze transparent optisch zugänglich war. Durch die sowohl hydraulische als auch optische Vermessung einer großen Düsenanzahl konnten unter genau definierten Randbedingungen umfangreiche Messdaten gewonnen werden. Es zeigte sich, dass die hydraulischen Messgrößen wie etwa der Kavitations-Umschlagpunkt dazu geeignet sind, das optisch auswertbare Kavitationsgeschehen innerhalb des Düsenspritzlochs wiederzugeben. Es wurden Ein- und Zweilochdüsen mit optischem Zugang mit 100 µm und 200 µm Spritzlochdurchmesser untersucht. Bei insgesamt 40 untersuchten Düsen wurden einige mit gleicher Geometrie und die anderen mit variierter Einlaufverrundung gewählt. Bei ausgewählten Düsen wurde die Geometrie und die kavitierende Fläche auch für variierte Positionen der Düsennadel präzise bestimmt. Die Daten wurden einerseits innerhalb des Projektes mit einem Standardsimulationsansatz berechnet - in erster Ordnung schon mit einer ganz guten Übereinstimmung des kavitierenden Bereiches. Zum anderen dienten gerade diese Beispielberechnungen dazu, dass auch die relevanten geometrischen Bedingungen gut bestimmt und beschrieben sind. Für drei ausgewählte Düsen wurden diese Daten inzwischen auf der Mendeley Data Base öffentlich zugänglich publiziert, so dass andere Forschungsgruppen diese Daten nutzen können, um erweiterte Kavitationsmodelle zu entwickeln und zu validieren. Es konnten durch die spezielle Düsen- und Halterkonstruktion für die optisch zugängliche Injektorspitze bisher unveröffentlichte Einspritzdrücke von regelmäßig 1200 bar und in Einzelfällen bis zu 1800 bar erreicht werden. Bei sehr hohen Drücken kavitierten die Strömungen bei den Ein- und Zweilochdüsen teilweise so stark, dass eine eingehende Untersuchung der höheren Einspritzdrücke mit der verwendeten optischen Messmethode nicht mehr aussagekräftig war. In nachfolgenden Untersuchungen sollte daher die Düsengeometrie entsprechend geändert werden, sodass die Kavitationsbildung nicht den gesamten Spritzlochumfang einnehmen kann. Dies wird auch bei Düsenformen mit mehr Spritzlöchern der Fall, bei denen allerdings die optische Zugänglichkeit eine Herausforderung darstellt. In einem Folgeprojekt sollen hier neue Ideen erprobt werden. Eine weitere Möglichkeit wäre die Verwendung anderer Messmethoden, welche es erlauben, die Kavitation auch in der Querschnittsebene oder tomographisch dreidimensional zu untersuchen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Continuous development of injection systems for HFO Engines from MAN Energy Solutions SE for future applications in "11. Tagung Einspritzung und Kraftstoffe 2018" (Hrsg. H. Tschöke, R. Marohn) Springer Fachmedien Wiesbaden, S. 147-170, 2018 ISBN: 978-3-658-23180-4
  J. Wloka, A. Weber, T. Klaua, M. Indrich, S. Kern, L. Thimm, F. Dinkelacker
  
• Experimental cavitation and spray measurement in real-size diesel injection nozzles with highresolution neutron imaging, ILASS–Europe 2019, 29th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Sept. 2019, Paris, France
  L. Thimm, P. Trtik, H. Hansen, S. Jollet, F. Dinkelacker
  
• Image Processing and 3-D Reconstruction for Evaluating the Cavitation Structure inside Nozzle. 6th Cavitation and Multi-Phase Flows Workshop, Chania, Greece (Poster), 2019
  N. Kawaharada, L. Thimm, F. Dinkelacker
  
• Transient Cavitation Structure Inside Real Scale Transparent Nozzles ILASS–Asia 2019, 20th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, pp. 1-8, Dec. 2019, Ube, Japan
  N. Kawaharada, L. Thimm, F. Dinkelacker
  
• Approaches for Detailed Investigations on Transient Flow and Spray Characteristics during High Pressure Fuel Injection Applied Sciences 2020, 10, 4410, pp. 1-22
  N. Kawaharada, L. Thimm, T. Dageförde, K. Gröger, H. Hansen, F. Dinkelacker
  
• Optische und hydraulische Untersuchungen von Kavitation in transparenten Einspritzdüsen. Dissertation Leibniz Universität Hannover, Institut für Technische Verbrennung; TEWISS-Verlag: Berichte aus dem ITV, Band 1/2021
  Lennart Thimm