Large-Eddy-Simulation als effektives Werkzeug für die GDI-Düsenentwicklung

Die neuen Homologationszyklen mit erweiterten Testbedingungen in Bezug auf Temperatur und geografische Höhe, die Einbeziehung von RDE sowie die längere und strengere Konformität in Betrieb befindlicher Fahrzeuge erhöhen die Leistungsanforderungen für GDI-Injektoren. Die weitere Verringerung der Particle-Number(PN)-Emissionen des Motors ist, auch wenn ein Benzinpartikelfilter verwendet wird, von primärer Bedeutung, um die Filtergröße zu optimieren und den Verlauf der Filtereffizienz über die Fahrzeuglebensdauer hinweg zu berücksichtigen.

Im Rahmen des Motorenentwicklungsprozesses ist es heute üblich, die diskreten Spray-Einzelstrahlen individuell an das Verbrennungssystem anzupassen, um den Kraftstoffverbrauch sowie die Partikelmasse und -anzahl weiter zu verringern. Sowohl die Spray-Ausrichtung (Richtung der Einzelstrahlen) als auch die Massenverteilung werden für die Homogenität des Gemisches und die Wandbenetzung im Brennraum optimiert. Für Downsizing-Motoren ist es darüber hinaus wichtig, die Düsengeometrie anzupassen, um die Eindringtiefe des Sprays zu reduzieren und damit geringere Wandfilmbildung und Ölverdünnung zu erreichen. Außerdem ermöglicht die Verhinderung von Ablagerungen an der Düsenspitze, den sogenannten PN-Drift zu vermeiden [1].

Spraybildung, Injektorspitzenverkokung und PN-Drift beinhalten hochkomplexe physikalische und chemische Prozesse. Die Optimierung der Düsengeometrie ist ein Schlüsselelement, um die technischen Ziele zu erreichen. Während experimentell viel erreicht wurde, um das Produkt parametrisch zu verbessern, ist ein weiterer Fortschritt beim Injektordesign mit einem besseren Verständnis der grundlegenden Physik bezüglich des mikroskopischen Verhaltens der Düsenströmungsdynamik und des Spraybildungsprozesses durch neue Simulationstechnologien möglich. Die verfügbaren Messtechniken können die Gas-Flüssigkeit-Grenzflächenskalen und die transienten Prozesse im Nahfeld der Hochdruck-Einspritzdüsenspitze oft nicht auflösen. Darüber hinaus steht heute keine Messtechnik zur Charakterisierung der komplexen Wirbel- und Turbulenzstruktur in der Düse zur Verfügung.

Hochgenaue, hochauflösende Large-Eddy-Simulationen (LES), ergänzt mit der Coupled-Level-Set-Volume-of-Fluid(CLSVOF)-Technik für die Schnittstellennachführung, liefern einen detaillierten Einblick in den Düseninnenströmung und die Spraymorphologie nahe der Düse sowie ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene. In diesem Beitrag wird dargestellt, wie die numerische Strömungsdynamik (CFD) verwendet werden kann, um ein physikalisches Verständnis zur Unterstützung der Entwicklung von GDI-Düsenlochgeometrien hinsichtlich der Sprayauslegung und der Verkokungsdriftreduktion zu erreichen.

Das Verhalten einer typischen Düse unter beschleunigten Verkokungsbedingungen und die nachfolgende Reaktion des Injektors auf erhöhten Einspritzdruck ist in Bild 1 dargestellt. Der Injektor wird zuerst in seinem sauberen/neuen Zustand bei einer Reihe von Drücken (rote Balken) getestet. Die Ergebnisse zeigen einen klaren Trend der Verbesserung von PN mit höheren Drücken, hauptsächlich aufgrund einer verbesserten Zerstäubung und Luft-Kraftstoff-Gemischaufbereitung. Der Injektor wird dann für 10 h bei 100 bar gealtert, was die Bildung einer feinen Schicht von Ablagerungen auf der Injektorspitze verursacht. Das Emissionsverhalten wird dann erneut getestet (blaue Balken) und zeigt einen signifikanten Anstieg der PN-Emissionen in den jeweiligen Druckstufen. Die endoskopische Visualisierung des Verbrennungsereignisses zeigt, dass der gealterte Injektor nach dem Hauptverbrennungsereignis eine helle Diffusionsflamme in der Nähe der Düsenspitze aufweist (untere Photoreihe). Das Zeitintegral dieser Flamme korreliert mit der PN-Zunahme [1] und deutet darauf hin, dass flüssiger Brennstoff an der Injektorspitze verbleibt. Die Erhöhung des Kraftstoffdruckes ist daher eine wirksame Maßnahme um Ablagerungen zu entfernen oder deren Bildung zu verhindern und dadurch die Diffusionsflamme zu beseitigen und die Partikelanzahl des gealterten Injektors auf sehr niedrige Werte zu senken.

In Anbetracht der starken Verbesserung der Partikelentstehung und des Driftverhaltens, die mit höheren Drücken erreicht werden können, wurde der Multec-14-Injektor, Bild 2, als erstes 400-bar-fähiges GDI-System eingeführt. Zurzeit läuft die Entwicklung der nächsten Generation mit bis zu 600 bar Systemdruck, wobei es ein wesentliches Ziel ist, kompatibel zum aktuellen Produktionsprozess zu bleiben. Der erhöhte Systemdruck erfordert einige Anpassungen der hochdruckführenden Komponenten sowie die Überarbeitung der Schweißgeometrie und -parameter. Vorteile des höheren Drucks sind eine höhere Einspritzrate - die mehr Zeit für die Kraftstoffmischung und Verdampfung ermöglicht -, ein erhöhter dynamischer Bereich durch Druckmodulation und eine weitere erhebliche Absenkung der Partikelanzahl.

Obwohl bekannt ist, dass der hohe Kraftstoffdruck für eine Reduzierung der Injektorverkokung sorgt, bleibt die Frage, welche fluiddynamischen Prozesse diesen Effekt verursachen und wie diese maximal genutzt werden können. Die Optimierung der Düsenspitze sowohl unter dem Aspekt der Reduktion von Ablagerungen als auch für die optimale Penetration des Einspritzstrahles erfordert ein Verständnis von Phänomenen, die durch Messung nicht direkt verfügbar sind, aber durch neue Erkenntnisse aus CFD-Simulationen erklärt werden können. Eine detailliertere Untersuchung der Strömung während dem Schließvorhang der Einspritzdüse und mit Fokus auf der Entleerung des Sackvolumens, der Kraftstoffverdampfung, der Dampfkondensation und Gasrückströmung findet sich in [2].

Die Entwicklung der Simulationsmethodologie konzentrierte sich auf die folgenden Aspekte: Modellierung der realen physikalischen Phänomene, hochgenaue Simulation und hocheffiziente Techniken wie adaptive Netzverfeinerung vor dem Hintergrund eines Moving-Mesh-Ansatzes. Auf der Grundlage der etablierten CLSVOF-LES-Methodik, die für die primäre Zerlegungsanalyse von Dieselinjektionen entwickelt wurde [3-5], wurden einige neue Funktionalitäten hinzugefügt. Die Kompressibilität der flüssigen und gasförmigen Phasen wird berücksichtigt. Ein Kavitationsmodell, das auf der barotropen Zustandsgleichung basiert [6], wurde in Ansys Fluent v19 implementiert und in der vorliegenden Studie verwendet. Dieses Modell garantiert die korrekte Blasenkollapsgeschwindigkeit bei der Kavitationsdampfkondensation und wurde bereits erfolgreich in der Simulationsstudie zur Kavitationserosion [7] angewendet. Das wandangepasste Subgrid-Viskositätsmodell [8] (Wall-Adapted-Local-Eddy-Viscosity, WALE) wurde aufgrund seines korrekten Verhaltens in der Nähe der Wand verwendet. Für den Simulationsbereich innerhalb der Einspritzdüse wird ein hochauflösendes Hexaedernetz eingesetzt. Die erforderliche Zellengröße wurde mithilfe des Taylorlängenmaß abgeschätzt [9]. Die Wandverfeinerung wurde angewendet, um eine durchschnittliche Wandauflösung von y⁺=1 zu erreichen. In der Sprayregion wurde eine adaptive Gitterverfeinerungsstrategie angewendet. Ein Basisnetz von 64 μm wurde mit sukzessiven Verfeinerungsstufen bis zu einer minimalen Größe von 4 μm eingesetzt. Die Adaption erfolgte auf Basis der normalisierten Flüssigkeitsvolumenanteilsgradienten (verfeinert für einen normalisierten Wert über 0,1 und vergrößert für Werte unter 0,03) und dem Verhältnis der Subgrid-Wirbelviskosität zur kinematischen Viskosität (verfeinert für Werte über 5). Dadurch war eine konsistente Auflösung der mehrskaligen turbulenten und mehrphasigen Prozesse gewährleistet. Ein Beispiel der momentanen Subgrid-Viskositätsverhältnisse und des entsprechenden Gitters ist in Bild 3 dargestellt.

Die Phasengrenzfläche zwischen Kraftstoff und Luft wurde im impliziten VOF-Verfahren durch ein sogenanntes "Compressive-Schema" diskretisiert. Es basiert auf einem Rekonstruktionsverfahren zweiter Ordnung mit einer Steigungsbegrenzung von 2 [10]. Die konvektiven Flüsse der Impulsgleichung wurden durch ein beschränktes zentrales Diskretisierungsschema zweiter Ordnung diskretisiert. Die Druckinterpolation erfolgte mit einem volumenkraftgewichteten Verfahren. Das Upwind-Schema erster Ordnung der Dichteadvektion stellte gemeinsam mit dem impliziten Zeitschema erster Ordnung, sowie dem gekoppelten Druck-Geschwindigkeits-Lösungsverfahren die numerische Stabilität sicher. Durch die Vorgabe einer Zeitschrittweite, entsprechend Courant-Zahl ~1 im Spritzloch, bestand ein guter Kompromiss zwischen rechnerischer Effizienz und Schärfe der Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen.

Ein Vergleich des Einspritzstrahles in Düsennähe und den entsprechenden Konturen der Scherkraft auf der Oberfläche der Vorstufe, die für die Reinigung von Ablagerungen bei verschiedenen Brennstoffdrücken relevant sind, ist in Bild 4 dargestellt. Die zeitlich gemittelte Oberflächen-Scherintensität und die beeinflusste Fläche sind ebenfalls dargestellt. Bei einem Kraftstoffdruck von 100 bar ist der Strahl schmal und trifft nur unwesentlich auf die Seitenfläche der Vorstufenbohrung, was zu einer geringen Wandscherung mit geringer Aufprallfläche führt. Mit steigendem Kraftstoffdruck wird der Einspritzstrahl in der Vorstufe breiter und die Reinigungskraft steigt deutlich an. Wie erwartet, steigt auch das Einspritzmoment proportional zum erhöhten Kraftstoffdruck, was zu einem erhöhten Mitnahmeeffekt der Luft, einer Verbesserung der Luft-Kraftstoff-Mischung und zu mehr Turbulenz im Brennraum führt. All diese Merkmale sind vorteilhaft, um die Verkokung der Einspritzdüse und die PN- Bildung zu verringern.

Die Verteilung von Flüssigkeit und Dampf über eine symmetrische Ebene des Spritzlochs ist in Bild 5 dargestellt. Im untersuchten Fall zeigte sich, dass die Kavitation im Spritzloch für alle Kraftstoffdruckniveaus aufgrund der hohen Konvergenzverjüngung und einem relativ großem Längen-Durchmesser-Verhältnis l/d unterdrückt wird. Jedoch tritt Kavitation in dem Strahlkernbereich unmittelbar stromabwärts des Spritzlochauslasses auf. Diese Kavitation hilft, den kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl bereits in der Vorstufe zu öffnen und aufzubrechen, was zu einer Spraymorphologie ohne flüssigen Kern führt. Diese Beobachtung steht im Einklang mit früher durchgeführten und veröffentlichten Röntgenstrahl-Visualisierungen [11], ist jedoch für die verfügbaren optischen Messtechniken nicht zugänglich. Erhöhter Kraftstoffdruck erzeugt höhere Kavitation, was zu einer ausgeprägteren Dampfverteilung und einem verbreiterten Spray an der Spraywurzel innerhalb der Vorstufe führt. Dies verstärkt die Scherkraft in der Vorstufe und somit den Reinigungseffekt der Ablagerungen. In Anbetracht der hohen Durchflusseffizienz und des guten Zerstäubungsverhaltens wird diese Lochkonfiguration daher nicht nur eine gute Verkokungsbeständigkeit bei allen Drücken zeigen, sondern auch die motorische Verbrennung und die PN-Emissionen bei hohen Einspritzmengen verbessern.

VOF-LES wurde auch angewendet, um den Einfluss des Vorstufendurchmessers auf den Strahlwinkel, die düsennahe Spraymorpohologie und die Wandscherkraft für die Reinigung von Ablagerungen zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in Bild 6 dargestellt. In diesem Fall wurden die Spritzlochgeometrie und die Tiefe der Vorstufe konstant gehalten. Mit dieser Annahme zeigte sich, dass eine enge Vorstufengeometrie den Strahlöffnungswinkel begrenzt und dabei eine hohe Oberflächenscherkraft für die Reinigung von Ablagerungen bei höherer Penetration erzeugt wird. Auf der anderen Seite führt eine sehr breite Vorstufe zu einer sehr schwachen Oberflächenreinigungskraft, ohne einen wesentlichen Vorteil im düsennahen Spraywinkel zu erzeugen. Die Auslegung der Vorstufenabmessungen erfordert den richtigen Kompromiss zwischen erhöhten Reinigungseffekten und einem größeren Sprayöffnungswinkel um eine geringere Eindringtiefe zu erreichen.

Wie in Bild 5 dargestellt, wird Kavitation in der Kernregion des Anfangsstrahls für ein Spritzloch mit einem großen Längen-Durchmesser-Verhältnis und hoher Konvergenzverjüngung vorhergesagt. Diese hilft dabei, den Flüssigkeitsstrahl aufzubrechen. Dies ist eine neue Beobachtung auf Basis der Simulationsergebnisse und stimmt mit den Spraybildern aus der Röntgen-Phasenkontrast-Visualisierung überein, die keinen flüssigen Kern und massive Gasphasenanteile im Einspritzstrahl nahe der Düse zeigen. Dieses Ergebnis liefert eine Erklärung für die gute Zerstäubungsleistung, die experimentell für Düsen mit dieser Art der Spritzlochauslegung beobachtet wurden, und ist ein Hinweis auf kavitationsinduzierte Zerstäubung.

In Bild 7 wird ein wirbelinduzierter Zerstäubungsmechanismus vorgestellt, der früheren Beobachtungen bei der Hochdruck-Dieseleinspritzung ähnelt [4]. Zu diesem Zweck werden die Strömungswirbelstrukturen in der Düse und in der Nähe der Düsenregion zusammen mit der entsprechenden momentanen Strahlmorphologie dargestellt. Es wird beobachtet, dass die Ablösungsereignisse der Wirbel innerhalb des Spritzlochs auf das Spray stromabwärts außerhalb der Düse übertragen werden, was pulsierende Ligament-Bildungsereignisse und wellenförmige Strukturen im düsennahen Spray erzeugen. Eine Ähnlichkeit kann zwischen den Wirbelstrukturen außerhalb der Düse und stromaufwärts im Spritzloch beobachtet werden, die beide "periodische" Strukturen aufweisen. Diese Ereignisse sind in der Abbildung schematisch durch die schwarzen Klammern hervorgehoben. Die Wirbelbildung ist ein wesentlicher Mechanismus für die primäre Zerstäubung. Bei der Optimierung der Strahlausbreitung wird standardmäßig die Düsengeometrie entsprechend variiert, dabei spielt der wirbelgesteuerte Zerstäubungsmechanismus eine wichtige Rolle. Die Erkenntnis, dass diese Wirbelentstehung bereits durch die Geometrie im Sackvolumen und dem Spritzloch gezielt beeinflusst werden kann, eröffnet neue Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit der Einspritzdüse insbesondere in Bezug auf Wandbenetzung, Gemischaufbereitung und PN-Drift-Verhalten gezielt zu verbessern.

Hochauflösende LES mit komplexer physikalischer Modellierung von Mehrphasenströmung und Kavitation verbunden mit dem gekoppelten Level-Set-VOF-Ansatz für die Auflösung der Phasengrenzflächen wurde verwendet, um das Düsenströmungsverhalten und das Sprayverhalten nahe der Düse zu untersuchen. Die Ergebnisse liefern ein neues Verständnis darüber, wie der Druck und die Düsenspitzengeometrie die physikalischen Prozesse beeinflussen, die Zerstäubung und die Robustheit gegenüber Verkokung steuern. Die angewandten Methoden tragen dazu bei, die Entwicklung verbesserter Düsengeometrien voranzutreiben sowie die PN-Bildung und den PN-Drift in gegenwärtigen Motoranwendungen signifikant zu reduzieren. Die Arbeit konnte auch den Vorteil einer weiteren Anhebung des Systemdrucks zeigen, die gegenwärtig bei Delphi Technologies vorangetrieben wird, um insbesondere PN-Emissionen und Drift aber auch CO-und HC-Emissionen zu verbessern.